CN1302717A - 球形移动机器人 - Google Patents

Abstract

一种球形移动机器人,球壳中有互相垂直固连的中间框架和支承框架,内框通过悬轴与支承框架相连,换向电机驱动相互垂直的圆锥齿轮,使框架与球体产生相对转动,形成球体转向作用,驱动电机通过同步带轮带动内框沿同步齿形带作相对于框架的圆周运动,使球体的质心发生改变,驱动球体动作。球体内部电机采用无线遥控,实现球体任意方向的运动。本发明结构紧凑,动态地形适应性好,越障能力强,具有广阔的应用前景和市场潜力。

Description

球形移动机器人

本发明涉及一种移动机器人，尤其涉及一种利用运动动量增强越障能力的球形移动机器人，属于机电一体化技术领域。

现有技术中，已设计出了多种运动机构以适用于山地或月球环境等复杂地形，如腿式、腿轮混合式、关节-轮式、关节履带式等。然而，这些机构均遵从静力学平衡约束设计，系统的输入能量主要用于克服静态力，均未从根本上解决载体的移动能力与地形适应性之间的固有矛盾。随着运动速度的提高，当惯性力与重力相比已不可忽略时，系统则进入动态运行状态，由随机地形产生的动力学扰动对系统运行产生很大影响，输入的能量主要用于动量控制。因此，如何利用运动动量提高运动能力是当今移动机器人研究的一个重要问题。

因球体具有良好的运动方向可控性，不存在非完整约束，运动连续性强，国际上已有一些学者展开对球形移动机构的探讨。1998年，美国国家航空航天管理局(NASA)喷气推进实验室(JPL)也曾提出设计一种貌似巨大皮球的机器人探测器。这种皮球探测器的重量轻，外部是坚硬、透明、富有弹性的外壳，内部充有适当压力的空气，此外，它还有相互垂直的绳索，分别系于球的透明外壳上，使球具有轻、软、扁三种形态，一个控制箱由三个电机、电源(包括太阳能电池)以及控制电路组成，控制箱通过卷绳可沿着三根绳索运动，以改变球的重心，使其向希望的方向运动。皮球的直径很大，足以使其克服非常坑洼的地面形状，由于该种皮球式机器人没有向上运动的功能，所以当它从峭壁或斜坡上滚下时不易损坏。美国卡内基-梅隆大学机器人研究所Yangsheng Xu研制了一种用陀螺仪稳定的单轮移动机器人Gryrover,Gyrover是一个尖边轮，致动机构装在轮内，包括三个致动器。一个高速旋转马达，它带动一个悬挂飞轮高速旋转，以使机器人动态稳定；一个倾侧马达，它控制旋转飞轮的角度，从而控制Gyrover的转向；一个驱动马达，通过改变Gyrover的内部摆动质量控制前进和后退的加速度。Gyrover是一种新型的单轮，陀螺稳定的机器人。Gyrover的行为方式基于陀螺进动的基本原理，就象稳定的滚动轮子。当轮子静止和慢速运动时，陀螺仪的角动量保证轮子的侧向稳定性。一种倾斜机构产生轮子滚转轴的倾斜。因为陀螺仪可以看成姿态的内部参考，倾斜运动将引起轮子向左或向右倾斜，从而引起轮子向倾斜的方向转向。由驱动电机产生的力矩控制悬挂在轮轴上象单摆的内部机构，从而产生加速或制动的推力。

日本学者AtsushiKoshiyama与Kazuo Yamafuji自从1985年便开始对由倒立摆与辅助摇臂轮组成的内部为独轮车结构的球形移动机器人进行研究，目的在于实现机器人的姿态稳定，转向控制，通过摇臂轮与主体轮进行上下坡平稳运动。若发生失衡现象时，该机器人能够通过摇臂与轮的动作协调保持稳定状态。

现有的基于动态稳定性所进行的移动机器人载体设计研究都未能很好地解决有效运动的生成与实际应用实现这一关键性问题。Gyrover片面强调追求动态稳定，并未考虑静态稳定性的自保持，未充分地应用陀螺原理，导致能源损耗很大，控制系统复杂。另外，其动力学分析并未考虑环境因素。由日本学者所研制的移动机器人尽管具有运动多样性与控制简易性的优点，却仍缺少足够的可操作性与地形适应性。该机器人系统的控制基于精确的动力学模型，仅仅只是一个理想的物理实验模型，不适合实际应用于移动载体。尤其是在实际应用时因系统的响应与其内部质量块动作之间存在时间滞后，滞后时间是外部地形的函数，难以预测，这便限制了其应用于复杂地形时的可控动作速度，无法超越准静态运动状态。

本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，从动态过程稳定性角度设计提供一种新型球形移动机器人载体，使之能适用于山地或月球环境等复杂地形，从根本上解决地形适应性与移动能力之间的矛盾，可以方便地满足实际应用需求。

为实现这样的目的，本发明的技术方案中，球形移动机器人载体的球壳内有相互垂直固连的中间框架和支承框架，球壳与框架通过球体固定基座和框架固定基座相连，支承框架通过悬轴与其内部的内框相连。传动机构采用两个电机驱动，其中，换向电机安装在支承框架顶部，驱动相互垂直的圆锥齿轮，使框架与球体产生相对转动，形成球体整体的转向作用。驱动电机安装在内框底部，驱动与同步齿形带啮合的同步带轮，使内框沿同步齿形带作圆周方向的运动，使球体的质心发生改变，驱动球体前进。本发明采用四通道的无线遥控方式对球体内部的电机进行控制，实现球体的前进、后退、顺、逆时针转向。

本发明的具体结构如下：

球壳选用玻璃钢加工而成，球壳上开设一个盖，便于内部器件装配。框架为组装式结构，由相互垂直的中间框架和支承框架固连而成，固定基座是框架和球体连接部分，为套接式结构，球体固定基座的前端套入框架固定基座，套筒内部用弹性介质作支撑，保证一定的装配裕量，同时防止球体运动时带来的振动。

本发明的球形移动载体中采用两个电机，一个为换向电机，一个为驱动电机。换向电机安装在球体内部的支承框架之上，采用圆锥齿轮作换向机构，利用圆锥齿轮在垂直方向传动的特点，通过驱动相互垂直的圆锥齿轮啮合而使框架和球体产生相对转动，使得内框的旋转轴位置发生改变，产生换向作用。驱动电机安装在内框之中，中间框架内有环形圈，环形圈内壁粘贴有同步齿形带，驱动电机经减速器驱动与同步齿形带啮合的同步带轮，使整个内框沿同步齿形带，绕支承框架的悬轴作相对于框架的圆周运动。

本发明的电机驱动采用蓄电池供电，控制电路采用电池板供电。由于球体为密封结构，对球体的控制采用无线遥控方式。针对本发明的结构特点，上下两个电机分别控制，利用两个相互独立的遥控电路装置来操纵电机，用来控制球体运动的方向。两块遥控信号接收板分别安装在各自控制电机的相应位置，遥控信号发射模块则采用手持式控制盒结构。

为了更好地理解本发明的技术方案，以下通过附图与实施例作进一步详细描述。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明结构的侧视图。

图1图2中，在玻璃钢球壳1内有互相垂直固连的中间框架5和支承框架4，球壳1与中间框架5、支承框架4通过球体固定基座2和框架固定基座9连接。支承框架4通过悬轴11与其内部的内框12相连。换向电机10安装在支承框架4的顶部，通过联轴器与一对相互垂直的圆锥齿轮3相连。换向电机10通过驱动圆锥齿轮3，使固连的中间框架5、支承框架4与球体产生相对转动，形成球体整体的转向作用。驱动电机13安装在内框12的底部，通过联轴器与同步带轮8相连，中间框架5内有环形圈7，环形圈7的内壁粘贴有同步齿形带6，同步带轮8与同步齿形带6啮合。驱动电机13通过同步带轮8带动整个内框12绕悬轴11，沿同步齿形带6作相对于框架的圆周运动，使球体的质心发生改变，驱动球体前进。

实施例：

球壳选用玻璃钢，手工加工而成，外径620mm，厚10mm。由于内部要安装其他部件，将球壳设计成可拆装结构，在球壳上开设一个400×400的盖，用螺钉固定。

框架为组装式结构，由相互垂直的中间框架和支承框架固连而成，通过固定基座与球壳连接。

同步齿形带的直径决定了所有其它零部件的尺寸大小，也决定了球体的运动规律。本实施例选择齿形带周长1100mm，宽20mm；带轮直径80mm，内孔20mm，宽20mm。

本发明采用圆锥齿轮作换向机构，使球体的内部部件在电机的驱动下方便地转动，实现换向。本实施例选用模数1.5,30齿，轴向长度20mm的直齿圆锥齿轮。

换向电机安装在球体内部的支承框架上，驱动相互垂直啮合的圆锥齿轮使框架与球体相对转动，使内框的旋转轴位置发生改变，实现换向。该电机由于空间结构限制，尺寸不能太大，而功率要求亦不高。本实施例选定直流电机(带减速箱)型号：M28-832，额定电压24V，功率3W，每分钟2转，最大转矩862N·cm。

驱动电机安装在内框上，通过驱动同步带轮，带动整个内框沿同步齿形带绕悬轴运动。由于驱动电机和电池以及一些控制装置、质量块等都固定在内框上，所以当内框运动到一定位置时，球体的质心改变足以使球体克服摩擦力矩，开始转动。本实施例选用带减速箱的微型电机：功率7.1W，输出轴转速5r/min，最大转矩887N·cm，额定电压24V。

换向电机联轴器和驱动电机联轴器的结构大致相同，其中换向电机联轴器与电机相连接部分用紧固螺钉固定，而与圆锥齿轮连接部分通过平键固定，驱动电机联轴器与同步带轮相连接部分与前者不同，采用紧固螺钉固定。

电机驱动采用蓄电池供电，控制电路采用电池板供电。采用两个电磁继电器对电机的电压方向进行控制，继电器采用JRC-19FB超小型功率继电器，采用遥控方式在球体内部实现对电机的正反转向控制，控制电路中，最主要的部件是ZL-205J系列编码无线遥控组件，该组件采用编码脉冲调制的高频电磁波传递控制信号，穿透力强且无方向性。

本发明球形移动载体中采用两个电机，换向电机实现了换向功能，驱动电机通过驱动同步带轮使整个内部质量块在同步齿形带上运动，改变了球体的质心，达到驱动球体运动的目的。与国外在该领域的已有的设计成果(无论是Yangshen Xu的Gyrover还是日本学者Atsushi Koshiyama的球形机器人)采用的三电机结构相比较，本发明采用两个电机就能满足运动要求，使结构更紧凑，所占用空间更小，具有显著的优越性。

本发明具有可控性强、操作性好等特点，成功地解决了现今国外同类移动载体结构设计中存在的缺陷，控制简单，静态稳定性强，动态地形适应性好，利用运动动量增强了越障能力，能源的有效利用率高，实用化潜力大，可以方便地升级为增强型结构。

本发明在军事、星球探索、特种环境、科教娱乐等领域具有广阔的应用前景和市场潜力。

Claims (4)

1、一种球形移动机器人，包括球壳与控制电机，其特征在于球壳(1)内有互相垂直固连的中间框架(5)和支承框架(4)，球壳(1)与中间框架(5)、支承框架(4)通过球体固定基座(2)、框架固定基座(9)连接，支承框架(4)通过悬轴(11)与内框(12)相连，换向电机(10)安装在支承框架(5)的顶部，通过联轴器与相互垂直的圆锥齿轮(3)相连，驱动电机(13)安装在内框(12)的底部，通过联轴器与同步带轮(8)相连，中间框架(5)内有环形圈(7)，同步带轮(8)与环形圈(7)内壁的同步齿形带(6)啮合。

2、如权利要求1所说的球形移动机器人，其特征在于球壳(1)为可拆装结构，在球壳(1)上开设一个盖，用螺钉固定。

3、如权利要求1所说的球形移动机器人，其特征在于固定基座为套接式结构，球体固定基座(2)的前端套入框架固定基座(9)，套筒内部用弹性介质作支撑。

4、如权利要求1所说的球形移动机器人，其特征在于电机驱动采用蓄电池供电，控制电路采用电池板供电，球体控制采用无线遥控方式。

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