CN114802508A - 一种全向轮驱动磁增强球形机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种全向轮驱动磁增强球形机器人，该发明包括球壳和位于其内部的驱动单元组成。驱动单元由两电机、四个全向轮、同步带传动组件、机架、配重、永磁体等部件组成；球壳内壁附着铁磁感应材料。全向轮以两个一组按垂直方位对称布置在机架底，同向两个全向轮由一个电机带动的同步带驱动，利用全向轮与球壳内壁之间的摩擦力为驱动单元提供偏心力矩，驱使球形机器人实现前进、转向运动。永磁体安装于机架底部，与球壳内壁铁磁感应材料有小间隙，产生磁吸附力，使驱动单元被吸附向球壳内壁，增大全向轮与球壳内壁的压力和驱动摩擦力，同时磁吸附力可避免驱动单元重心升高时脱离球壳内表面及倾覆的可能，提升球形机器人整体运动的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及球形机器人领域，特别是涉及一种全向轮驱动磁增强球形机器人。
背景技术
球形机器人是一种驱动球形外壳滚动实现行走的机器人。球形机器人全封闭的外壳使得内部关键部件与外部环境隔离，保护内部结构。球形机器人可以实现全方位的运动，适应各种复杂的地形，当与障碍物发生碰撞时，不会因“侧翻”而无法驱动，既能保持稳定性。与其他机器人相比，球体滚动时与地面的接触在理想状况下是点接触，滚动阻力小，运动灵活性高，因前进驱动和转向驱动互不干涉，驱动能耗低。基于以上独特的优势，球形机器人具有广阔的应用前景。驱动单元是球形机器人实现运动的核心部分，是各类球形机器人有别的标志，故新驱动单元机构原理可以引起球形机器人的创新。
现有专利申请201410147444.8、201610302645.X、201710171277.4、201720278540.5和201720278035.0等均采用了麦克纳姆轮结构，利用麦克纳姆轮与球壳之间的摩擦力使内部驱动结构产生偏心力矩从而驱动球形机器人进行运动；麦克纳姆轮作为球形机器人的驱动存在的主要问题是麦克纳姆轮轮毂外缘上的滚子滚动轴线与轮子轴心线成45°布置，在运动过程中会引起45°方向的不确定滚动，导致无法精确控制麦克纳姆轮的运动轨迹，进而影响球形机器人整体的运动控制；相比之下，本发明申请采用的全向轮轮毂外缘上的滚子轴线与轮子轴心线成90°，既可以径向滚动又可以侧向移动，二者互不干涉，运动更容易控制，原理上与上述专利申请有本质不同。
现有专利申请201911283312.7、202011187357.7、201710171277.4、201720278540.5、201720278035.0、201610302645.X和201510194055.5等提出的结构均采用了三个及三个以上的电机作为驱动分别控制对应的麦克纳姆轮或全向轮来实现球形机器人的全向运动，同方向的电机难以保持同步驱动，从而易导致同方向的两个轮子的运动出现干涉，产生能量损失，同时增大控制方法的复杂性；相比之下，本发明申请只采用了两个电机分别控制前进和转向运动，同方向的全向轮通过同步带进行传动，能够保证运动的同步性，提高传动效率，原理上与上述专利申请有本质不同。
现有申请专利201720278035.0提出了一种行走驱动组件及球形机器人，该机器人不存在使麦克纳姆轮和球壳保持压紧的结构，从而容易产生驱动部分倾覆和麦克纳姆轮打滑的现象；现有专利申请201510194055.5提出的一种全步姿行走球形机器人，该机器人上方采用球形万向轮和弹簧顶柱的结构使全向轮与球壳保持紧压，防止内部结构倾翻；现有专利申请201710070425.3、201911283312.7提出的球形机器人上方均采用牛眼轮作为支撑使轮子与球壳保持紧压，防止倾覆；现有申请专利202010078563.8提出了一种双动力四驱五全向轮重载球形机器人，其同样采用了顶部支撑方式，利用全向轮与弹簧结构来使全向轮与球壳保持压紧，防止倾覆；综上无论是以球形万向轮、牛眼轮还是全向轮作为顶部支撑来防止倾覆都存在一系列问题：1)顶部支撑会提高驱动结构的重心，进而降低驱动运动的偏心力矩；2)上方支撑与球壳接触会带来旋转摩擦阻力，消耗驱动力；3)通过弹簧顶柱结构来提供预压力容易使球壳发生变形，也增大运动阻力，同时增大内部机构的装配和调试难度。本发明提出的磁增强机构完全避免了顶部支撑以及撑杆问题所带来的诸多不可避免的缺陷，原理上与上述专利申请有本质不同。
本申请提出的全向轮驱动磁增强球形机器人，通过机架下方的永磁体与球壳内壁铁磁感应材料产生的磁吸引力，能够显著增强驱动单元与球壳之间的压力，有效提供更大的驱动摩擦力避免打滑，并防止驱动单元在球壳内倾覆；通过磁吸力这种无接触的力可以避免接触的摩擦阻力。本发明申请机构简洁，驱动效率高；驱动单元的重心位置比上述专利申请都低，而偏心驱动力矩更大，显著提高驱动性能，并更易于控制。
发明内容
本发明的目的是针对现有球形机器人驱动机构的不足，提出了一种全向轮驱动磁增强球形机器人，旨在简化球形机器人内部结构，用磁吸引力增强驱动摩擦力，降低能量损耗，减少球壳变形，运动灵活，易于控制。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：本发明提出一种全向轮驱动磁增强球形机器人，主要包括：球壳1、转向驱动2、配重3、前进驱动4、机架5、永磁体6等零部件；其特征在于：所述球壳1内壁涂有铁磁感应材料，永磁体6与球壳1内壁存在微小间隙，不接触不摩擦。
所述的前进驱动4用于实现球形机器人的前进运动，包含两个前进全向轮4-1、同步带4-2、电机4-3、电机同步带4-4；所述的转向驱动2用于实现球形机器人的转向运动，包含电机2-1、电机同步带2-2、同步带2-3、两个转向全向轮2-4。
所述的电机4-3固连在机架5上方，通过电机同步带4-4将旋转运动传递给前进全向轮4-1，两个前进全向轮4-1通过同步带4-2进行传动；所述电机2-1固连在机架5上方，与电机4-3垂直布置，通过电机同步带2-2将旋转运动传递给转向全向轮2-4，两个转向全向轮2-4通过同步带2-3进行传动。当球形机器人直线运动时，前进全向轮4-1在电机4-3的驱动下沿球壳内壁滚动，从而使球形机器人产生偏心力矩，在偏心力矩和全向轮摩擦力的共同作用下实现球壳直线运动；当需要转向时，转向全向轮2-4在电机2-1的驱动下沿球壳内壁滚动，从而使球壳产生垂直于直线运动方向的运动，从而实现转向。
所述的两个前进全向轮4-1和两个转向全向轮2-4正交布置在机架5的前后和左右方向，全向轮上分布小滚子，可以同时实现径向滚动和侧向移动，所以球形机器人的前进运动与转向运动互不干涉，可以实现全向运动。
所述的永磁体6安装在机架5下方，永磁体6与球壳1内壁接近但不接触，永磁体6与球壳1之间产生磁吸力，可以使前进全向轮4-1和转向全向轮2-4始终与球壳内壁接触，从而增大全向轮与球壳之间的压力，增大摩擦驱动力；所述的永磁体6不仅限于安装在机架5下方，也可以直接使用具有铁磁性的全向轮轮缘，从而使全向轮与球壳内壁产生磁吸力，达到增大全向轮与球壳之间的最大压力的目的，可防止全向轮驱动力大时的出现打滑，从而提供更大的偏心驱动力矩，提高球形机器人的整体动力性能。
所述的两个配重3布置在机架5上方，保证驱动单元整体质量前后左右对称，确保机架5处于水平位姿时驱动单元重心与球心连线为铅垂线。
所述的两个前进全向轮4-1通过同步带4-2进行传动，两个转向全向轮2-4通过同步带2-3进行传动，从而实现同方向全向轮的同步运动，两同步带带轮直径不同，避免空间交叉干涉；所述的同步带4-2、同步带2-3也可以通过链传动进行替代。
所述除球壳1外的其余零部件均位于同一半球内部，可以降低球形机器人内部驱动单元的重心，从而实现更大的偏心驱动力矩，增强球形机器人的动力性能。
本发明申请与现有技术相比，具有如下优点：本发明利用机架下方的永磁体与球壳内壁铁磁感应材料产生的磁吸力来提高全向轮与球壳之间的压力，从而提高摩擦驱动力，可以有效防止驱动单元整体倾覆和避免出现驱动打滑；通过磁力这种无接触的力可以避免使用其它机构(机械撑杆，万向轮和弹簧等)产生的摩擦阻力和球壳变形；同时本发明申请比使用其它机构(机械撑杆，万向轮和弹簧等)使球壳内部驱动单元的重心降低，增大偏心驱动力矩，明显提高球形机器人的动力性能。
附图说明
本发明有如下附图：
图1为本发明的主视图。
图2为本发明的俯视图。
图3为本发明前进驱动的俯视图。
图4为本发明转向驱动的俯视图。
图5为本发明的直线运动简图。
图6为本发明的转向运动简图。
图7为本发明的跳跃运动简图。
图中：1球壳，2转向驱动，2-1电机，2-2电机同步带，2-3同步带，2-4转向全向轮，3配重，4前进驱动，4-1前进全向轮，4-2同步带，4-3电机，4-4电机同步带，5机架，6永磁体。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的，而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
如图1、图2所示，一种全向轮驱动磁增强球形机器人主要包括：球壳1、转向驱动2、配重3、前进驱动4、机架5、永磁体6等零部件；所述球壳1内壁附着磁感应材料，所述除球壳1外的其余零部件组成驱动单元，位于球壳1内部，所述转向驱动2与前进驱动4按正交方向布置在机架5上，所述机架5底部安装有永磁体6，两个配重3安装在机架5上方。
如图3、图4所示，所述的前进驱动4用于实现球形机器人的前进运动，包含两个前进全向轮4-1、同步带4-2、电机4-3、电机同步带4-4；所述的转向驱动2用于实现球形机器人的转向运动，包含电机2-1、电机同步带2-2、同步带2-3、两个转向全向轮2-4。
如图3、图4所示，所述的电机4-3固连在机架5上方，通过电机同步带4-4将旋转运动传递给前进全向轮4-1，两个前进全向轮4-1通过同步带4-2进行传动；所述电机2-1固连在机架5上方，与电机4-3垂直布置，通过电机同步带2-2将旋转运动传递给转向全向轮2-4，两个转向全向轮2-4通过同步带2-3进行传动。
如图5、图6所示，当球形机器人直线运动时，前进全向轮4-1在电机4-3的驱动下沿球壳内壁滚动，从而使球形机器人产生偏心力矩，在偏心力矩和全向轮摩擦力的共同作用下实现球壳直线运动；当需要转向时，转向全向轮2-4在电机2-1的驱动下沿球壳内壁滚动，从而使球壳产生垂直于直线运动方向的运动，从而实现转向。
如图1、图2所示，所述的两个前进全向轮4-1和两个转向全向轮2-4正交布置在机架5的前后和左右方向，全向轮上分布小滚子，可以同时实现径向滚动和侧向移动，所以球形机器人的前进运动与转向运动互不干涉，可以实现全向运动。
如图1、图2所示，所述的永磁体6安装在机架5下方，永磁体6与球壳1内壁具有间隙但不接触，永磁体6与球壳1内壁附着的磁感应材料之间产生磁吸力，可以使前进全向轮4-1和转向全向轮2-4始终与球壳内壁接触，从而增大全向轮与球壳之间的压力；所述的永磁体6不仅限于安装在机架5下方，也可以直接使用具有铁磁性的全向轮轮缘，从而使全向轮与球壳内壁产生磁吸力，达到增大全向轮与球壳之间的驱动摩擦力的目的，防止全向轮出现打滑，实现最大的偏心驱动力矩，提高运动性能，由本技术方案所引申出的显而易见的变化仍然属于本发明的保护范围之内。
如图7所示，在永磁体6与球壳内壁铁磁感应材料产生的磁吸力作用下，前进全向轮4-1沿球壳内壁纯滚动，可以使驱动单元位于球壳顶部而不会发生掉落，从而利用惯性离心力实现球形机器人的跳跃运动。
如图1、图2所示，所述的两个配重3布置在机架5上方，保证驱动单元整体质量前后左右对称，确保机架5处于水平位姿时驱动单元重心与球心连线为铅垂线。
如图3、图4所示，所述的两个前进全向轮4-1通过同步带4-2进行传动，两个转向全向轮2-4通过同步带2-3进行传动，从而实现同方向全向轮的同步运动，为避免干涉，两同步带带轮直径不同；所述的同步带4-2、同步带2-3也可以通过链传动进行替代，由本技术方案所引申出的显而易见的变化仍然属于本发明的保护范围之内。
如图1、图2所示，所述除球壳1外的其余零部件均位于同一半球内部，可以降低球形机器人内部驱动单元的重心，从而实现更大的偏心力矩，增强球形机器人的运动性能。
如图1、图2所示，所述的前进全向轮4-1与转向全向轮2-4与球壳内壁接触，四个接触点位于同一半球，可以分散压力，减少球壳变形。
本发明利用机架下方的铁磁材料与球壳内壁磁感应材料产生的磁吸力来提高全向轮与球壳之间的摩擦驱动力，可以有效防止整体倾覆和全向轮出现打滑；通过磁力这种无接触的力可以避免使用机械撑杆产生的支撑力，且不存在撑杆引起的附加摩擦阻力，提高驱动效率；无撑杆结构使球壳内部驱动单元的重心降低，增大偏心驱动力矩，提高球形机器人的运动性能。本发明采用一个电机驱动同方向一组全向轮，同方向全向轮通过同步带传动的方式，能够实现运动的同步性，便于控制。
以上，仅为本发明较为理想的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动，凡是属于本发明技术方案所引申出的显而易见的变化仍然属于本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种全向轮驱动磁增强球形机器人，其结构包括：球壳1、转向驱动2、配重3、前进驱动4、机架5、永铁磁体6等零部件；其特征在于：所述球壳1内壁附着铁磁感应材料；所述转向驱动2、配重3、前进驱动4、机架5、和永磁体6零部件组成驱动单元，位于球壳1内部；所述转向驱动2与前进驱动4按正交方向布置在机架5上，并且转向驱动2与前进驱动4都是由全向轮驱动；所述机架5底部安装有永磁体6，永磁体6与球壳1内壁铁磁感应材料有小间隙，产生磁吸附力，从而使驱动单元整体吸附向球壳内壁，增强全向轮与球壳1内壁的压力，以获得更大的摩擦驱动力，从而提供驱动单元产生更大偏心力矩，为球形机器人提供更好的动力性能；与此同时，磁吸附力可避免驱动单元重心升高时脱离球壳内表面和倾覆的可能，提升球形机器人整体运动性能的可靠性。
2.根据权利要求1所述的一种全向轮驱动磁增强球形机器人，其特征在于所述的磁增强结构：安装在机架5下方的永磁体6与球壳1内壁保持间隙，永磁体6与球壳1内壁铁磁感应材料产生磁吸力，可以使前进全向轮4-1和转向全向轮2-4获得更大的驱动摩擦力；所述的永磁体6不仅限于安装在机架5下方，也可以直接使用具有永磁性的全向轮轮缘，从而使全向轮与球壳内壁铁磁感应材料产生磁吸力，达到增大全向轮与球壳之间的最大摩擦驱动力的目的，防止全向轮出现打滑，提供最大的偏心力矩，提高运动性能。
3.根据权利要求1所述的一种全向轮驱动磁增强球形机器人，其特征在于所述的磁增强结构：永磁体6与球壳1内壁铁磁感应材料产生磁吸力，可避免驱动单元升至球壳顶部时不会脱离球壳内表面而倾覆的可能，同时继续提供摩擦驱动力。
4.如权利要求1所述的一种全向轮驱动磁增强球形机器人，其特征在于前进运动与转向运动互不干涉，可以实现易于控制的全向运动，所述的前进驱动4用于实现球形机器人的前进运动，包含两个前进全向轮4-1、同步带4-2、电机4-3、电机同步带4-4；所述的转向驱动2用于实现球形机器人的转向运动，包含电机2-1、电机同步带2-2、同步带2-3、两个转向全向轮2-4；同步带4-2的带轮与同步带2-3的带轮直径不同，避免同步带4-2与同步带2-3的交叉干涉。
5.根据权利要求1所述的一种全向轮驱动磁增强球形机器人，其特征在于所述转向驱动2、配重3、前进驱动4、机架5、永铁磁体6等零部件均位于同一半球内部，可以降低球形机器人内部驱动单元的重心，从而实现更大的偏心力矩，增强球形机器人的运动性能。
6.根据权利要求1所述的一种全向轮驱动磁增强球形机器人，其特征在于所述的同步带4-2和带轮、同步带2-3和带轮也可以用链和链轮进行替代。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20220729 |