CN113276977A - 一种多自由度球形机器人 - Google Patents

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张华�
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Abstract

本发明公开了一种多自由度球形机器人，包括控制系统和驱动系统；驱动系统包括动力装置和传动装置；动力装置用于为球形机器人提供动力；传动装置用于带动球形机器人运动。本发明的球形机器人具有结构精巧、环境适应力强和可搭载多种任务载荷的特点，可被广泛运用在监测、抢险、消防、救灾、地质勘探和军事侦测等诸多场合。

Description

一种多自由度球形机器人
技术领域
本发明属于球形机器人技术领域，具体涉及一种多自由度球形机器人。
背景技术
球形机器人是一种将驱动机构和控制系统装在一个球形壳体内的机器人，利用球形外壳作为滚动行走装置的一种移动机器人。由于其特殊结构，球形机器人相比其他移动机器人有着很大的优点：第一，运动最灵活。球形机器人可以实现全向驱动，转弯半径为零。第二，抗倾倒性。球形机器人行走机构为全向外壳，行走过程中不存在翻仰问题。第三，抗环境干扰性。球形机器人所有控制、驱动结构封闭于球壳内部，在雨天或荆棘环境中能够来去自如，不会发生短路或导线挂擦等问题，这使得球形机器人对恶劣环境的适应能力增强。第四，运行效率高。球形机器人的行走外壳与地面接触产生的摩擦力为驱动力，没有被动摩擦轮，运动效率高，且外壳与地面的接触为点接触，对道路要求低，适应能力强。第五，承载能力大。球形机器人可在其球壳内装载满载荷而灵活行走。第六，球形机器人的运动系统为非完整系统，非完整系统有可能用较少的驱动控制较多的运动自由度，这种机器人可用于对非完整系统进行研究，球形机器人的研究理论成果对非完整约束系统的深人研究能产生巨大的推动作用。
另外，球形机器人的行走外壳与地面单点接触，产生的摩擦力为驱动力，双电机驱动全方位行走，能量损耗小。另外，球形机器人可以利用球形外壳通过滚动对冲击力进行有效缓冲，从而使机器人的内部结构得到保护。因此，球形机器人在星球探索、危险环境探测、管道内部探测等领域具有显著优势和广泛应用前景。
发明内容
本发明的目的是为了解决球形机器人摆锤旋转角度有限的问题，提出了一种多自由度球形机器人。
本发明的技术方案是：一种多自由度球形机器人包括控制系统和驱动系统；
控制系统用于控制机器人平稳运动；驱动系统用于控制机器人运动；控制系统和驱动系统都位于托板内。
驱动系统包括动力装置和传动装置；动力装置用于为球形机器人提供动力；传动装置用于带动球形机器人运动。
进一步地，动力装置包括舵机法兰盘、重块下托、重摆固定架、重摆固定零件、托板下盖、环形固定架、舵机、电机、球壳、重摆和托板上盖；
环形固定架固定设置于球壳的内壁上；托板下盖和托板上盖通过螺丝固定连接；托板下盖的侧面开设有开孔；电机固定设置于托板下盖上；舵机通过螺丝固定设置于托板下盖的侧壁；重摆固定零件通过舵机法兰盘与舵机固定连接；重摆固定设置于重摆固定架上，并通过重块下托，固定于托板下盖的下方。
进一步地，传动装置包括第一固定架、轴承固定片、第一正齿轮组、第二正齿轮组、联轴器、电机固定架、第二固定架、第三正齿轮组、转轴、第一轴承、滚轮、第二轴承、斜齿轮组、连接轴和内齿轮；
第一固定架中的第一轴承通过开孔和托板下盖固定连接；转轴依次通过第一轴承和第二轴承固定设置于第一固定架和第二固定架内；转轴和托板下盖的开孔圆心同心；滚轮固定设置于环形固定架的两侧；斜齿轮组分别固定设置于转轴和第二固定架上；第一正齿轮组固定设置于第一固定架上，并与转轴相互啮合；内齿轮和第三正齿轮组配合转动，用于带动球壳运动；联轴器的一端和转轴固定连接，其另一端和连接轴固定连接；内齿轮固定设置于环形固定架内。
固定架用于装载齿轮；轴承通过开孔和托板下盖固定连接；上轴承和下轴承分别固定设置于固定架上盖的顶部；转轴依次通过上轴承和下轴承固定设置于固定架内；转轴和托板下盖的开孔圆心同心，用于提供水平转向动力；滚轮固定设置于固定架下箱体的两侧；斜齿轮组分别固定设置于转轴和连接轴上，并通过相互配合，用于改变传动方向；第一正齿轮组固定设置于固定架上，并与转轴相互啮合，用于传动相向前的动力；第二正齿轮组和第一正齿轮组配合转动，用于带动球壳运动；联轴器的一端和转轴固定连接，其另一端和连接轴固定连接，用于带动传动装置运动，使其能平稳运行，保护电机轴转动。
进一步地，控制系统包括单片机开发板、数据采集板、运动控制板、陀螺仪、气压计、可拓展传感器接口、传感器模块、GPS定位模块、滚动动力模块和减速电机驱动模块；
单片机开发板包括数据处理模块、运动控制模块和无线通讯模块；传感器模块包括图像传感器、温湿度传感器、核辐射探测器和IMU传感器；滚动动力模块包括第一减速电机、第二减速电机和舵机；
陀螺仪、GPS定位模块、气压计和IMU传感器均与数据采集板通信连接；图像传感器、温湿度传感器和核辐射探测器均通过可拓展传感器接口与数据采集板通信连接；数据处理模块分别与数据采集板、运动控制模块和无线通讯模块通信连接；减速电机驱动模块通过运动控制板和运动控制模块通信连接；第一减速电机、第二减速电机和舵机均与减速电机驱动模块通信连接。陀螺仪用于获取机器人的姿态信息。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的球形机器人具有结构精巧、环境适应力强和可搭载多种任务载荷的特点，可被广泛运用在监测、抢险、消防、救灾、地质勘探和军事侦测等诸多场合。
(2)本发明针对现有球形机器人的运动自由度少、运动控制精度不高、累计误差较大且抗干扰能力差等问题，实现可搭载传感器的多自由度的摆式球型机器人结构。
(3)本发明通过齿轮传动，设计出了一种可以360度旋转的机械结构，使集体运动更加灵活，运动效率更高，提高了球形机器人的机动性能与稳定性，实现了球形机器人360度无死角进行旋转。
附图说明
图1是本发明中球形机器人的内部整体结构示意图；
图2是本发明中球形机器人的内部整体结构等轴测图；
图3是本发明中球形机器人的固定架内部示意图；
图4是本发明中球形机器人的托板内部示意图；
图5是本发明中球形机器人的固定架示意图；
图6是本发明中球形机器人的固定架剖视图；
图7是本发明中球形机器人的固定架的正视图；
图8是本发明中球形机器人的固定架下箱体示意图；
图9是本发明中球形机器人的重摆固定架示意图；
图中，1、第一固定架；2、轴承固定片；3、第一正齿轮组；4、第二正齿轮组；5、联轴器；6、电机固定架；7、舵机法兰盘；8、重块下托；9、重摆固定架；10、重摆固定零件；11、托板下盖；12、第二固定架；13、第三正齿轮组；14、环形固定架；15、转轴；16、第一轴承；17、舵机；18、滚轮；19、电机；20、第二轴承；21、球壳；22、斜齿轮组；23、重摆；24、连接轴；25、托板上盖；26、内齿轮。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
如图1所示，本发明提供了一种多自由度球形机器人，包括控制系统和驱动系统；
控制系统用于控制机器人平稳运动；驱动系统用于控制机器人运动；控制系统和驱动系统都位于托板内。
驱动系统包括动力装置和传动装置；动力装置用于为球形机器人提供动力；传动装置用于带动球形机器人运动。
在本发明实施例中，如图2-8所示所示，动力装置包括舵机法兰盘7、重块下托8、重摆固定架9、重摆固定零件10、托板下盖11、环形固定架14、舵机17、电机19、球壳21、重摆23和托板上盖25；
环形固定架14固定设置于球壳21的内壁上；托板下盖11和托板上盖25通过螺丝固定连接；托板下盖11的侧面开设有开孔；电机19固定设置于托板下盖11上；舵机17通过螺丝固定设置于托板下盖11的侧壁；重摆固定零件10通过舵机法兰盘7与舵机17固定连接；重摆23固定设置于重摆固定架9上，并通过重块下托8，固定于托板下盖11的下方。
在本发明实施例中，传动装置包括第一固定架1、轴承固定片2、第一正齿轮组3、第二正齿轮组4、联轴器5、电机固定架6、第二固定架12、第三正齿轮组13、转轴15、第一轴承16、滚轮18、第二轴承20、斜齿轮组22、连接轴24和内齿轮26；
第一固定架1中的第一轴承16通过开孔和托板下盖11固定连接；转轴15依次通过第一轴承16和第二轴承20固定设置于第一固定架1和第二固定架12内；转轴15和托板下盖11的开孔圆心同心；滚轮18固定设置于环形固定架14的两侧；斜齿轮组22分别固定设置于转轴15上；第一正齿轮组3固定设置于第二固定架1上，并与转轴15相互啮合；内齿轮26和第三正齿轮组13配合转动，用于带动球壳21运动；联轴器5的一端和转轴15固定连接，其另一端和连接轴24固定连接；内齿轮26固定设置于环形固定架14内。
在本发明实施例中，如图9所示，控制系统包括单片机开发板、数据采集板、运动控制板、陀螺仪、气压计、可拓展传感器接口、传感器模块、GPS定位模块、滚动动力模块和减速电机驱动模块；
单片机开发板包括数据处理模块、运动控制模块和无线通讯模块；传感器模块包括图像传感器、温湿度传感器、核辐射探测器和IMU传感器；滚动动力模块包括第一减速电机、第二减速电机和舵机；
陀螺仪、GPS定位模块、气压计和IMU传感器均与数据采集板通信连接；图像传感器、温湿度传感器和核辐射探测器均通过可拓展传感器接口与数据采集板通信连接；数据处理模块分别与数据采集板、运动控制模块和无线通讯模块通信连接；减速电机驱动模块通过运动控制板和运动控制模块通信连接；第一减速电机、第二减速电机和舵机均与减速电机驱动模块通信连接。
本发明的工作原理及过程为：直线运动时，该球形机器人主要以电机19带动球形机器人运动，其中托板可以实现360°转动。以该球形机器人托板平面为基准面，建立空间直角坐标系，以球形机器人托板直向上方向为Z轴正方向。
将球形机器人置于水平地面，重摆22处于竖直状态，托板下盖11处于水平状态，此时系统处于初始状态，当机器人收到前进或后退指令后电机19开始驱动时，第一正齿轮组21、第二正齿轮组22开始工作，通过带动第一正齿轮组21、第二正齿轮组22运动使得托板开始以Y轴为旋转轴进行一定角度地旋转，球形机器人质心发生不同程度的偏移，使得该球形机器人沿着与托板翻转方向相同的方向开始运动，即当电机19带动齿轮顺时针转动时，球形机器人向前移动，当电机19带动齿轮逆时针转动时，球形机器人向后滚动。
转弯运动时，该球形机器人主要舵机17提供动力使得球形机器人重摆22运动使得球形机器人运动，其中重摆22可实现转动。
与直线运动同理，以该球形机器人托板水平面为基准面，建立空间直角坐标系，以球形机器人托板垂直向上方向为Z轴正方向。
将球形机器人置于水平地面，此时的球形机器人可是处于初始状态，也可以是处于正在前进状态，当球形机器人接到转弯指令，舵机17开始工作，带动重摆22以X轴为旋转轴进行一定角度地转动，使得球形机器人的质心发生偏移，球形机器人往重摆摆动方向进行运动，当重摆22向左摆动时，球形机器人则向方向左进行转动，反之，当重摆22向右摆动时，球形机器人即向方向右进行运动。根据重摆22摆动角度的大小，球形机器人向左或右转动的角度有所不同，从而可以使得球形机器人完成复杂的曲线运动，在各种复杂的环境中进行作业，如弯曲的管道等环境。
本发明的有益效果为：
(1)本发明的球形机器人具有结构精巧、环境适应力强和可搭载多种任务载荷的特点，可被广泛运用在监测、抢险、消防、救灾、地质勘探和军事侦测等诸多场合。
(2)本发明针对现有球形机器人的运动自由度少、运动控制精度不高、累计误差较大且抗干扰能力差等问题，实现可搭载传感器的多自由度的摆式球型机器人结构。
(3)本发明通过齿轮传动，设计出了一种可以360度旋转的机械结构，使集体运动更加灵活，运动效率更高，提高了球形机器人的机动性能与稳定性，实现了球形机器人360度无死角进行旋转。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种多自由度球形机器人，其特征在于，包括控制系统和驱动系统；
所述控制系统用于控制机器人平稳运动；所述驱动系统用于控制机器人运动；所述控制系统和驱动系统都位于托板内。
所述驱动系统包括动力装置和传动装置；所述动力装置用于为球形机器人提供动力；所述传动装置用于带动球形机器人运动。
2.根据权利要求1所述的多自由度球形机器人，其特征在于，所述动力装置包括舵机法兰盘(7)、重块下托(8)、重摆固定架(9)、重摆固定零件(10)、托板下盖(11)、环形固定架(14)、舵机(17)、电机(19)、球壳(21)、重摆(23)和托板上盖(25)；
所述环形固定架(14)固定设置于球壳(21)的内壁上；所述托板下盖(11)和托板上盖(25)通过螺丝固定连接；所述托板下盖(11)的侧面开设有开孔；所述电机(19)固定设置于托板下盖(11)上；所述舵机(17)通过螺丝固定设置于托板下盖(11)的侧壁；所述重摆固定零件(10)通过舵机法兰盘(7)与舵机(17)固定连接；所述重摆(23)固定设置于重摆固定架(9)上，并通过重块下托(8)，固定于托板下盖(11)的下方。
3.根据权利要求2所述的多自由度球形机器人，其特征在于，所述传动装置包括第一固定架(1)、轴承固定片(2)、第一正齿轮组(3)、第二正齿轮组(4)、联轴器(5)、电机固定架(6)、第二固定架(12)、第三正齿轮组(13)、转轴(15)、第一轴承(16)、滚轮(18)、第二轴承(20)、斜齿轮组(22)、连接轴(24)和内齿轮(26)；
所述第一固定架(1)中的第一轴承(16)通过开孔和托板下盖(11)固定连接；所述转轴(15)依次通过第一轴承(16)和第二轴承(20)固定设置于第一固定架(1)和第二固定架(12)内；所述转轴(15)和托板下盖(11)的开孔圆心同心；所述滚轮(18)固定设置于环形固定架(14)的两侧；所述斜齿轮组(22)分别固定设置于转轴(15)和连接轴(24)上；所述第一正齿轮组(3)固定设置于第一固定架(1)上，并与转轴(15)相互啮合；所述内齿轮(26)和第三正齿轮组(13)配合转动，用于带动球壳(21)运动；所述联轴器(5)的一端和电机(19)，其另一端和连接轴(24)固定连接；所述内齿轮(26)固定设置于环形固定架(14)内。
4.根据权利要求1所述的多自由度球形机器人，其特征在于，所述控制系统包括单片机开发板、数据采集板、运动控制板、陀螺仪、气压计、可拓展传感器接口、传感器模块、GPS定位模块、滚动动力模块和减速电机驱动模块；
所述单片机开发板包括数据处理模块、运动控制模块和无线通讯模块；所述传感器模块包括图像传感器、温湿度传感器、核辐射探测器和IMU传感器；所述滚动动力模块包括第一减速电机、第二减速电机和舵机；
所述陀螺仪、GPS定位模块、气压计和IMU传感器均与数据采集板通信连接；所述图像传感器、温湿度传感器和核辐射探测器均通过可拓展传感器接口与数据采集板通信连接；所述数据处理模块分别与数据采集板、运动控制模块和无线通讯模块通信连接；所述减速电机驱动模块通过运动控制板和运动控制模块通信连接；所述第一减速电机、第二减速电机和舵机均与减速电机驱动模块通信连接。
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