CN111409722A - 一种全自动球形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全自动球形机器人，属于机器人技术领域。它解决了现有的全自动球形机器人转向效果差的问题。本全自动球形机器人，包括球壳，球壳内固连有一根沿球壳的径向水平延伸的支撑轴，支撑轴上套设有连接座，连接座上设有配重体、用于驱动配重体沿支撑轴的长度方向直线运动的第一驱动组件以及用于驱动支撑轴绕自身中轴线转动的第二驱动组件，由连接座、配重体、第一驱动组件与第二驱动组件构成的整体的重心位于支撑轴中轴线的正下方。本发明由于配重体水平延伸，当配重体运动到位后齿轮所受的外力小，有利于使配重体保持在当前位置，提高全自动球形机器人行走与转向的可靠性，具有灵活性高、通过性好等优点。

Description

一种全自动球形机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种全自动球形机器人。

背景技术

当前，用于在管道内或复杂地形进行摄像与检测的全自动机器人的应用越来越广泛，其可执行一些对人体有危险、甚至人工无法完成的任务，如在狭小空间、污染环境、危险环境中执行任务，还具备比人力成本低、耐用度高、无疲倦感等优点。现有的该类机器人大多为四足机器人或履带式机器人，体积庞大，不利于携带，而且转向能力差，适应复杂狭小环境的能力弱。

为此，中国专利公开了一种新型全对称球形机器人[申请公布号为CN103895726A]，包括外部刚性球壳、两个支承圆盘、两个伺服电机、两个直线电机和两个配重摆臂，外部刚性球壳两端开口，通过紧定螺钉与两个支承圆盘固定连接；两个伺服电机和两个直线电机通过两个支承圆盘对称安装在球壳最大直径方向上；两个配重摆臂分别与直线电机输出轴固定相连，通过两个直线电机改变两个配重摆臂位置；两个直线电机分别与两个伺服电机配合连接，通过两个伺服电机驱动两个直线电机转动，同时驱动配重摆臂转动，实现机器人直线运动。

上述的球形机器人存在以下问题：伺服电机位于刚性球壳的外部，不能保护伺服电机，极易造成伺服电机的损坏；伺服电机和支承圆盘位于刚性球壳外，增大了机器人在左右方向上的横向尺寸，不利于在狭小空间内完成任务，适用范围小；机器人的转向需两个直线电机作用，转向操作复杂，转向效果差。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种转向效果好的全自动球形机器人。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：

全自动球形机器人，包括球壳，所述的球壳内固连有一根沿球壳的径向水平延伸的支撑轴，所述的支撑轴上套设有连接座，所述的连接座上设有配重体、用于驱动配重体沿支撑轴的长度方向直线运动的第一驱动组件以及用于驱动支撑轴绕自身中轴线转动的第二驱动组件，由所述的连接座、配重体、第一驱动组件与第二驱动组件构成的整体的重心位于支撑轴中轴线的正下方。

球壳的球心位于支撑轴的中轴线上，由支撑轴和球壳构成的整体的重心与球壳的球心重合。当全自动球形机器人直线运动时，由连接座、配重体、第一驱动组件与第二驱动组件构成的整体的重心位于球壳球心的正下方。当全自动球形机器人需要转向时，第一驱动组件驱动配重体沿支撑轴的长度方向直线运动，使由连接座、配重体、第一驱动组件与第二驱动组件构成的整体的重心向左或向右偏移，以使球壳向左或向右偏转，从而实现转向。

在上述的全自动球形机器人中，所述的第一驱动组件包括设于配重体上齿条部、与齿条部啮合的齿轮以及用于驱动齿轮转动的第一电机，所述齿条部的延伸方向与支撑轴平行，所述的连接座上设有用于对配重体进行导向的导向结构。

当第一电机工作时，带动齿轮绕自身中轴线转动，由于齿轮与齿条部啮合，齿轮带动齿条部直线运动，从而带动配重体直线运动，以改变由连接座、配重体、第一驱动组件与第二驱动组件构成的整体的重心，从而使机器人实现转向。

在上述的全自动球形机器人中，所述的导向结构包括设于连接座上的导向槽，所述导向槽的延伸方向与支撑轴平行，所述的配重体滑动设于导向槽内。

在上述的全自动球形机器人中，所述的连接座上设有位于齿轮侧方的导向座，所述的导向槽设于导向座朝向齿轮的一侧，所述的齿条部位于配重体远离导向座的一侧。

当第一电机停止工作时，在齿轮与导向槽的共同作用下可对配重体进行有效限位，提高配重体的稳定性。为了保证齿轮与横向延伸的齿条部准确啮合，齿轮的中轴线竖向延伸。由于配重体水平延伸，当配重体运动到位后齿轮所受的外力小，有利于使配重体保持在当前位置，提高全自动球形机器人行走与转向的可靠性。

在上述的全自动球形机器人中，所述的第二驱动组件包括固定在连接座上的第二电机、设于第二电机转轴上的主动轮和同轴固连在支撑轴上的从动轮，所述的主动轮与从动轮传动连接。

第二电机工作时，带动主动轮绕第二电机转轴的中轴线转动，由于主动轮与从动轮传动连接，主动轮带动从动轮绕支撑轴的中轴线转动，进而带动支撑轴同步转动，从而实现球体的滚动。

在上述的全自动球形机器人中，所述的连接座包括套设在支撑轴上的第一连接板、套设在支撑轴上的与第一连接板相对设置的第二连接板、固定在第一连接板与第二连接板下端的支撑底板以及固定在第一连接板与第二连接板上端的支撑顶板，所述的第二电机固定在支撑底板上。

支撑底板位于支撑轴的下方，支撑顶板位于支撑轴的上方。为了使支撑轴在连接座内灵活转动，在第一连接板与支撑轴之间设置套设在支撑轴上的第一轴承，在第二连接板与支撑轴之间设置套设在支撑轴上的第二轴承。为了使支撑轴受力平衡，第一连接板与第二连接板沿球壳的纵向中心线对称设置，即球壳的球心至第一连接板的距离等与球心至第二连接板的距离。

第二电机固定在支撑底板的底部，支撑底板上设有位于从动轮正下方的穿出孔，主动轮位于穿出孔的正下方，主动轮通过传动带与从动轮传动连接。穿出孔为传动带提供让位空间，第二电机转轴的中轴线与支撑轴的中轴线平行且位于支撑轴中轴线的正下方，从动轮位于支撑轴的中部，从动轮的重心与球壳的球心重合。将第二电机设置在支撑底板的底部，进一步降低由连接座、配重体、第一驱动组件与第二驱动组件构成的整体的重心位置，从而提高全自动球形机器人的稳定性。

其中，第一驱动组件设置在支撑顶板上。

在上述的全自动球形机器人中，所述球壳的外部具有若干个沿球壳的左右延伸的横向中心线均匀分布防滑凸条。设置的防滑凸条可提高球壳的附着力，防止球壳打滑，以提高球壳的通行能力。

在上述的全自动球形机器人中，所述球壳的左侧设有第三电机，所述第三电机的转轴与支撑轴同轴，所述第三电机的转轴上设有第一工作件；所述球壳的右侧设有第四电机，所述第四电机的转轴与支撑轴同轴，所述第四电机的转轴上设有第二工作件，所述的第三电机与第四电机沿球壳的纵向中心线对称设置。

第一工作件与第二工作件为摄像头/传感器/光源/线缆接口，通过第三电机转轴的转动可控制第一工作件的探测/照明角度，通过第四电机转轴的转动可控制第二工作件的照明/探测角度，满足不同的探测与照明需求，应用范围广。

在上述的全自动球形机器人中，所述球壳的左侧内部设有与支撑轴同轴设置的第一安装筒，所述支撑轴的左端与第一安装筒同轴固连，所述的第三电机设于第一安装筒内；所述球壳的内部右侧设有与支撑轴同轴设置的第二安装筒，所述支撑轴的右端与第二安装筒同轴固连，所述的第四电机设于第二安装筒内。

第一安装筒与球壳密封固连，支撑轴的左端与第一安装筒密封固连，第二安装筒与球壳密封固连，支撑轴的右端与第二安装筒密封固连，可防止水进入到球壳内，防水性好。

在上述的全自动球形机器人中，所述的第三电机与第一安装筒之间设有与支撑轴同轴设置的第三轴承，所述第三电机的重心低于第三电机转轴的中轴线；所述的第四电机与第二安装筒之间设有与支撑轴同轴设置的第四轴承，所述第四电机的重心低于第四电机转轴的中轴线。

由于第三电机的重心低于第三电机转轴的中轴线，使第三电机始终保持同一状态而不会跟随球壳的滚动一起转动。同理，第四电机始终保持在同一状态而不会跟随球壳的滚动一起转动。或者第三电机和第四电机均采用带陀螺仪电机，也能使其保持在同一状态而不会跟随球壳的滚动一起转动。

球壳分别左半壳和右半壳，便于对内部组件进行安装。

与现有技术相比，本全自动球形机器人具有以下优点：

可利用重心偏移与角动量守恒原理驱动球壳按预定轨迹灵活运动，通过性好；由于配重体水平延伸，当配重体运动到位后齿轮所受的外力小，有利于使配重体保持在当前位置，提高全自动球形机器人行走与转向的可靠性；主要部件位于球壳的内部，且采用密封组装，防水性能好，防护能力强；部署容易，易携带。

附图说明

图1是本发明提供的较佳实施例的结构示意图。

图2是本发明提供的较佳实施例的正视图。

图3是本发明提供的较佳实施例的纵向剖视图。

图4是本发明提供的图3中A-A处剖视图。

图5是本发明提供的较佳实施例的内部结构示意图。

图中，1、球壳；2、支撑轴；3、配重体；4、齿条部；5、齿轮；6、第一电机；7、导向座；8、第二电机；9、主动轮；10、从动轮；11、第一连接板；12、第二连接板；13、支撑底板；14、支撑顶板；15、防滑凸条；16、第三电机；17、第一工作件；18、第四电机；19、第二工作件；20、第一安装筒；21、第二安装筒；22、第三轴承；23、第四轴承；24、电池；25、电气箱。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1和图2所示的全自动球形机器人，包括球壳1，球壳1分别左半壳和右半壳，便于对内部组件进行安装。如图3所示，球壳1内固连有一根沿球壳1的径向水平延伸的支撑轴2，支撑轴2上套设有连接座，即连接轴可相对于连接座自由转动。球壳1的球心位于支撑轴2的中轴线上，由支撑轴2和球壳1构成的整体的重心与球壳1的球心重合。如图3所示，连接座包括套设在支撑轴2上的第一连接板11、套设在支撑轴2上的与第一连接板11相对设置的第二连接板12、固定在第一连接板11与第二连接板12下端的支撑底板13以及固定在第一连接板11与第二连接板12上端的支撑顶板14，支撑底板13位于支撑轴2的下方，支撑顶板14位于支撑轴2的上方。为了使支撑轴2在连接座内灵活转动，在第一连接板11与支撑轴2之间设置套设在支撑轴2上的第一轴承，在第二连接板12与支撑轴2之间设置套设在支撑轴2上的第二轴承。为了使支撑轴2受力平衡，第一连接板11与第二连接板12沿球壳1的纵向中心线对称设置，即球壳1的球心至第一连接板11的距离等与球心至第二连接板12的距离。

如图4和图5所示，支撑顶板14上设有导向座7，导向座7的侧部设有导向槽，导向槽的延伸方向与支撑轴2平行，在导向槽内滑动设有呈长条状的配重体3，在支撑顶板14上还设有用于驱动配重体3沿支撑轴2的长度方向直线运动的第一驱动组件。

如图5所示，第一驱动组件包括竖直固定在支撑顶板14上的第一电机6、同轴固连在第一电机6转轴上的齿轮5以及设于配重体3靠近齿轮5一侧的齿条部4，齿条部4与支撑体的长度相等且两者连为一体，齿轮5与齿条部4啮合。当第一电机6工作时，带动齿轮5绕自身中轴线转动，由于齿轮5与齿条部4啮合，齿轮5带动齿条部4直线运动，从而带动配重体3直线运动，以改变全自动球形机器人整体的重心，从而使全自动球形机器人实现转向。

当第一电机6停止工作时，在齿轮5与导向槽的共同作用下可对配重体3进行有效限位，提高配重体3的稳定性。为了保证齿轮5与横向延伸的齿条部4准确啮合，齿轮5的中轴线竖向延伸。由于配重体3水平延伸，当配重体3运动到位后齿轮5所受的外力小，有利于使配重体3保持在当前位置，提高全自动球形机器人行走与转向的可靠性。

本实施例中，在连接座上还设有用于驱动支撑轴2绕自身中轴线转动的第二驱动组件，以及电池24和电气箱25，在电气箱25内设置控制电路板、无线信号收发模块等，由连接座、配重体3、第一驱动组件、第二驱动组件、电池24和电气箱25构成的整体的重心位于支撑轴2中轴线的正下方，且该整体不与球壳1的内部接触。

当全自动球形机器人直线运动时，由连接座、配重体3、第一驱动组件、第二驱动组件、电池24和电气箱25构成的整体的重心位于球壳1球心的正下方。当全自动球形机器人需要转向时，第一驱动组件驱动配重体3沿支撑轴2的长度方向直线运动，使该整体的重心向左或向右偏移，以使球壳1向左或向右偏转，从而实现转向。

如图3和图5所示，第二驱动组件包括固定在连接座上的第二电机8、设于第二电机8转轴上的主动轮9和同轴固连在支撑轴2上的从动轮10，主动轮9与从动轮10传动连接。图3所示，第二电机8固定在支撑底板13的底部，支撑底板13上设有位于从动轮10正下方的穿出孔，主动轮9位于穿出孔的正下方，主动轮9通过传动带与从动轮10传动连接。穿出孔为传动带提供让位空间，第二电机8转轴的中轴线与支撑轴2的中轴线平行且位于支撑轴2中轴线的正下方，从动轮10位于支撑轴2的中部，从动轮10的重心与球壳1的球心重合。将第二电机8设置在支撑底板13的底部，进一步降低由连接座、配重体3、第一驱动组件与第二驱动组件构成的整体的重心位置，从而提高全自动球形机器人的稳定性。

第二电机8工作时，带动主动轮9绕第二电机8转轴的中轴线转动，由于主动轮9与从动轮10传动连接，主动轮9带动从动轮10绕支撑轴2的中轴线转动，进而带动支撑轴2同步转动，从而实现球体的滚动。

如图1和图2所示，在球壳1的外部具有若干个沿球壳1的左右延伸的横向中心线均匀分布防滑凸条15，可提高球壳1的附着力，防止球壳1打滑，以提高球壳1的通行能力。

如图2和图3所示，球壳1的左侧设有第三电机16，第三电机16的转轴与支撑轴2同轴，第三电机16的转轴上设有第一工作件17，球壳1的右侧设有第四电机18，第四电机18的转轴与支撑轴2同轴，第四电机18的转轴上设有第二工作件19，第三电机16与第四电机18沿球壳1的纵向中心线对称设置。第一工作件17与第二工作件19为摄像头/传感器/光源/线缆接口，通过第三电机16转轴的转动可控制第一工作件17的探测/照明角度，通过第四电机18转轴的转动可控制第二工作件19的照明/探测角度，满足不同的探测与照明需求，应用范围广。

使用时，根据使用场景如管道内部或平整地面，设置包括行进路线、检测项目的各种参数和任务类型；机器人根据预设的各种参数和任务类型，自动行进，并通过无线网络，将采集的数据传输回使用者。当机器人用于管道内部工作时，则可根据管道的长度及路线复杂度，先后放入多个全自动球形机器人用于信号中继，也可以用于线缆的牵引等。

具体的，如图3所示，球壳1的左侧内部设有与支撑轴2同轴设置的第一安装筒20，支撑轴2的左端与第一安装筒20同轴固连，第三电机16设于第一安装筒20内；球壳1的内部右侧设有与支撑轴2同轴设置的第二安装筒21，支撑轴2的右端与第二安装筒21同轴固连，第四电机18设于第二安装筒21内。其中，第一安装筒20与球壳1密封固连，支撑轴2的左端与第一安装筒20密封固连，第二安装筒21与球壳1密封固连，支撑轴2的右端与第二安装筒21密封固连，可防止水进入到球壳1内，防水性好。

如图3所示，第三电机16与第一安装筒20之间设有与支撑轴2同轴设置的第三轴承22，第三电机16的重心低于第三电机16转轴的中轴线；第四电机18与第二安装筒21之间设有与支撑轴2同轴设置的第四轴承23，第四电机18的重心低于第四电机18转轴的中轴线。

由于第三电机16的重心低于第三电机16转轴的中轴线，使第三电机16始终保持同一状态而不会跟随球壳1的滚动一起转动。同理，第四电机18始终保持在同一状态而不会跟随球壳1的滚动一起转动。

作为另一实施方式，为了防止第三电机16和第四电机18随球壳1一同转动，第三电机16和第四电机18均采用带陀螺仪电机。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种全自动球形机器人，包括球壳(1)，其特征在于，所述的球壳(1)内固连有一根沿球壳(1)的径向水平延伸的支撑轴(2)，所述的支撑轴(2)上套设有连接座，所述的连接座上设有配重体(3)、用于驱动配重体(3)沿支撑轴(2)的长度方向直线运动的第一驱动组件以及用于驱动支撑轴(2)绕自身中轴线转动的第二驱动组件，由所述的连接座、配重体(3)、第一驱动组件与第二驱动组件构成的整体的重心位于支撑轴(2)中轴线的正下方。

2.根据权利要求1所述的全自动球形机器人，其特征在于，所述的第一驱动组件包括设于配重体(3)上齿条部(4)、与齿条部(4)啮合的齿轮(5)以及用于驱动齿轮(5)转动的第一电机(6)，所述齿条部(4)的延伸方向与支撑轴(2)平行，所述的连接座上设有用于对配重体(3)进行导向的导向结构。

3.根据权利要求2所述的全自动球形机器人，其特征在于，所述的导向结构包括设于连接座上的导向槽，所述导向槽的延伸方向与支撑轴(2)平行，所述的配重体(3)滑动设于导向槽内。

4.根据权利要求3所述的全自动球形机器人，其特征在于，所述的连接座上设有位于齿轮(5)侧方的导向座(7)，所述的导向槽设于导向座(7)朝向齿轮(5)的一侧，所述的齿条部(4)位于配重体(3)远离导向座(7)的一侧。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的全自动球形机器人，其特征在于，所述的第二驱动组件包括固定在连接座上的第二电机(8)、设于第二电机(8)转轴上的主动轮(9)和同轴固连在支撑轴(2)上的从动轮(10)，所述的主动轮(9)与从动轮(10)传动连接。

6.根据权利要求1所述的全自动球形机器人，其特征在于，所述的连接座包括套设在支撑轴(2)上的第一连接板(11)、套设在支撑轴(2)上的与第一连接板(11)相对设置的第二连接板(12)、固定在第一连接板(11)与第二连接板(12)下端的支撑底板(13)以及固定在第一连接板(11)与第二连接板(12)上端的支撑顶板(14)，所述的第二电机(8)固定在支撑底板(13)上。

7.根据权利要求6所述的全自动球形机器人，其特征在于，所述球壳(1)的外部具有若干个沿球壳(1)的左右延伸的横向中心线均匀分布防滑凸条(15)。

8.根据权利要求1所述的全自动球形机器人，其特征在于，所述球壳(1)的左侧设有第三电机(16)，所述第三电机(16)的转轴与支撑轴(2)同轴，所述第三电机(16)的转轴上设有第一工作件(17)；所述球壳(1)的右侧设有第四电机(18)，所述第四电机(18)的转轴与支撑轴(2)同轴，所述第四电机(18)的转轴上设有第二工作件(19)，所述的第三电机(16)与第四电机(18)沿球壳(1)的纵向中心线对称设置。

9.根据权利要求8所述的全自动球形机器人，其特征在于，所述球壳(1)的左侧内部设有与支撑轴(2)同轴设置的第一安装筒(20)，所述支撑轴(2)的左端与第一安装筒(20)同轴固连，所述的第三电机(16)设于第一安装筒(20)内；所述球壳(1)的内部右侧设有与支撑轴(2)同轴设置的第二安装筒(21)，所述支撑轴(2)的右端与第二安装筒(21)同轴固连，所述的第四电机(18)设于第二安装筒(21)内。

10.根据权利要求9所述的全自动球形机器人，其特征在于，所述的第三电机(16)与第一安装筒(20)之间设有与支撑轴(2)同轴设置的第三轴承(22)，所述第三电机(16)的重心低于第三电机(16)转轴的中轴线；所述的第四电机(18)与第二安装筒(21)之间设有与支撑轴(2)同轴设置的第四轴承(23)，所述第四电机(18)的重心低于第四电机(18)转轴的中轴线。

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