CN212195684U - 球形机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种球形机器人，属于机器人技术领域。它解决了现有的球形机器人防护能力差、通过性差的问题。本球形机器人，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，连接座上设有用于驱动支撑轴绕自身中轴线转动的驱动组件以及用于调节重心位置的调节组件，由连接座、驱动组件和调节组件构成的整体的重心位于支撑轴中轴线的正下方。本实用新型具有结构简单可靠、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、防护能力强等优点。

Description

球形机器人

技术领域

本实用新型属于机器人技术领域，涉及一种球形机器人。

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：具有多个电机，制造成本高；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。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种防护能力强、通过性好的球形机器人。

本实用新型的目的可通过下列技术方案来实现：

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用于驱动支撑轴绕自身中轴线转动的驱动组件以及用于调节重心位置的调节组件，由所述连接座、驱动组件和调节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。在连接座上设有用于提供电能的电池，由电池、连接座、驱动组件和调节组件构成的整体的重心始终位于支撑轴中轴线的正下方。驱动组件驱动支撑轴在连接座内绕自身的中轴线转动，从而带动与之固连的球壳滚动。当球形机器人直线运动时，由电池、连接座、驱动组件和调节组件构成的整体的重心位于球壳球心的正下方；当需要转向时，调节组件改变由电池、连接座、驱动组件和调节组件构成的整体的重心位置，使该整体的重心向左或向右偏移，从而使球壳绕着前后延伸的横向中心线向左或向右偏转，从而实现转向。

在上述的球形机器人中，所述的驱动组件包括固定在连接座上的第一电机、设于第一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。第一电机工作时，带动主动轮绕第一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以及固定在第一连接板与第二连接板下端的支撑底板，所述的第一电机固定在支撑底板上。

为了使支撑轴在连接座内转动灵活，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。由于电池、驱动组件和调节组件均设置在连接座上，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。

在上述的球形机器人中，所述的第一电机固定在支撑底板的底部，所述的支撑底板上设有位于从动轮正下方的穿出孔，所述的主动轮位于穿出孔的正下方，所述的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，第一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。将第一电机设置在支撑底板的底部，进一步降低由电池、连接座、驱动组件和调节组件构成的整体的重心位置，当支撑轴转动时不会带动连接座摆动，从而提高机器人的稳定性。

在上述的球形机器人中，所述的调节组件包括固定在连接座上的第二电机和设于第二电机转轴上的配重体，所述第二电机的转轴沿前后方向水平设置，所述第二电机转轴的中轴线在水平面上的投影与球壳的前后延伸的横向中心线在水平面上的投影重合。

当球形机器人直线运动时，配重体的重心在水平面上的投影位于第二电机的转轴中轴线在水平面的投影线上。当球形机器人需要向左或向右转向时，第二电机带动配重体摆动，使配重体的重心在水平面上的投影运动至第二电机的转轴中轴线在水平面的投影线的左侧或右侧，使由电池、连接座、驱动组件和调节组件构成的整体的重心向左或向右偏移，从而使球壳绕着前后延伸的横向中心线向左或向右偏转，从而实现转向。

在上述的球形机器人中，所述的连接座还包括固定在第一连接板与第二连接板上端的支撑顶板，所述的调节组件设于支撑顶板上。

在上述的球形机器人中，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，同时提高了球壳的通行能力。

在上述的球形机器人中，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摄像头/传感器；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光源/传感器；所述第三电机与第四电机沿球壳的纵向中心线对称设置。

通过第三电机转轴的转动可控制摄像头/传感器的角度，通过第四电机转轴的转动可控制光源/传感器的角度，满足不同的探测与照明需求，应用范围广。

在上述的球形机器人中，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，本球形机器人就有以下优点：

结构简单可靠，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；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是本实用新型提供的较佳实施例的结构示意图。

图2是本实用新型提供的较佳实施例的正视图。

图3是本实用新型提供的较佳实施例的剖视图。

图4是本实用新型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、第一电机；4、主动轮；5、从动轮；61、第一连接板；62、第二连接板；63、支撑底板；64、支撑顶板；7、传动带；8、第二电机；9、配重体；10、防滑凸条；11、第三电机；12、摄像头/传感器；13、第四电机；14、光源/传感器；15、第一安装筒；16、第二安装筒；17、第三轴承；18、第四轴承；19、电池；20、电气箱。

具体实施方式

以下是本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的描述，但本实用新型并不限于这些实施例。

如图1和图2所示的球形机器人，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，连接座上设有电池19、用于驱动支撑轴2绕自身中轴线转动的驱动组件以及用于调节重心位置的调节组件，由电池19、连接座、驱动组件和调节组件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。

如图3所示，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。驱动组件驱动支撑轴2在连接座内绕自身的中轴线转动，从而带动与之固连的球壳1滚动。当球形机器人直线运动时，由电池19、连接座、驱动组件和调节组件构成的整体的重心位于球壳1球心的正下方。当需要转向时，调节组件改变由电池19、连接座、驱动组件和调节组件构成的整体的重心位置，使该整体的重心向左或向右偏移，从而使球壳1绕着前后延伸的横向中心线向左或向右偏转，从而实现转向。

如图3和图4所示，连接座包括套设在支撑轴2上的第一连接板61、套设在支撑轴2上的与第一连接板61相对设置的第二连接板62、固定在第一连接板61与第二连接板62下端的支撑底板63以及固定在第一连接板61与第二连接板62上端的支撑顶板64。如图3所示，驱动组件包括固定在支撑底板63上的第一电机3、设于第一电机3转轴上的主动轮4和同轴固连在支撑轴2上的从动轮5，主动轮4与从动轮5传动连接。第一电机3工作时，带动主动轮4绕第一电机3转轴的中轴线转动，由于主动轮4与从动轮5传动连接，主动轮4带动从动轮5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。

为了使支撑轴2在连接座内转动灵活，在第一连接板61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62与支撑轴2之间设置套设在支撑轴2上的第二轴承。由于电池19、驱动组件和调节组件均设置在连接座上，为了使支撑轴2受力平衡，第一连接板61与第二连接板62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61的距离等与球心至第二连接板62的距离。

如图3所示，第一电机3固定在支撑底板63的底部，支撑底板63上设有位于从动轮5正下方的穿出孔，主动轮4位于穿出孔的正下方，主动轮4通过传动带7与从动轮5传动连接。穿出孔为传动带7提供让位空间，第一电机3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5位于支撑轴2的中部，从动轮5的重心与球壳1的球心重合。将第一电机3设置在支撑底板63的底部，进一步降低由电池19、连接座、驱动组件和调节组件构成的整体的重心位置，当支撑轴2转动时不会带动连接座摆动，从而提高机器人的稳定性。

如图3和图4所示，调节组件包括固定在支撑顶板64上的第二电机8和设于第二电机8转轴上的配重体9，配重体9的重心位于第二电机8的转轴中轴线的下方。第二电机8的转轴沿前后方向水平设置，第二电机8转轴的中轴线在水平面上的投影与球壳1的前后延伸的横向中心线在水平面上的投影重合。

当球形机器人直线运动时，配重体9的重心在水平面上的投影位于第二电机8的转轴中轴线在水平面的投影线上。当球形机器人需要向左或向右转向时，第二电机8带动配重体9摆动，使配重体9的重心在水平面上的投影运动至第二电机8的转轴中轴线在水平面的投影线的左侧或右侧，使由电池19、连接座、驱动组件和调节组件构成的整体的重心向左或向右偏移，从而使球壳1绕着前后延伸的横向中心线向左或向右偏转，从而实现转向。

如图1-3所示，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10，设置的防滑凸条10可提高球壳1的附着力，防止球壳1打滑，同时提高了球壳1的通行能力。

如图3所示，球壳1的左侧设有第三电机11，第三电机11的转轴与支撑轴2同轴，第三电机11的转轴上设有摄像头/传感器12。球壳1的右侧设有第四电机13，第四电机13的转轴与支撑轴2同轴，第四电机13的转轴上设有光源/传感器14；第三电机11与第四电机13沿球壳1的纵向中心线对称设置。通过第三电机11转轴的转动可控制摄像头/传感器12的角度，通过第四电机13转轴的转动可控制光源/传感器14的角度，满足不同的探测与照明需求，应用范围广。

具体的，如图4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15，第一安装筒15的左端与球壳1的外部连通，支撑轴2的左端与第一安装筒15同轴且密封固连，第三电机11设于第一安装筒15内。如图4所示，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16，第二安装筒16的右端与球壳1的外部连通，支撑轴2的右端与第二安装筒16同轴且密封固连，第四电机13设于第二安装筒16内。由于第一安装筒15与球壳1密封固连，支撑轴2的左端与第一安装筒15密封固连，第二安装筒16与球壳1密封固连，支撑轴2的右端与第二安装筒16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11与第一安装筒15之间设有与支撑轴2同轴设置的第三轴承17，第三电机11的重心低于第三电机11转轴的中轴线；第四电机13与第二安装筒16之间设有与支撑轴2同轴设置的第四轴承18，第四电机13的重心低于第四电机13转轴的中轴线。由于第三电机11的重心低于第三电机11转轴的中轴线，使第三电机11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13始终保持在同一状态而不会跟随球壳1的滚动一起转动。

如图3和图4所示，在连接座上设置电气箱20，在电气箱20内设置控制电路板、无线信号收发模块等，由电池19、连接座、驱动组件、调节组件和电气箱20构成的整体的重心位于支撑轴2中轴线的正下方。

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，先后放入多个球形机器人用于信号中继。当机器人用于线缆牵引时，需将摄像头/传感器12或光源/传感器14中的其中一个或全部换为线缆连接口。

作为另一实施方式，为了防止第三电机11和第四电机13随球壳1一同转动，第三电机11和第四电机13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实用新型精神作举例说明。本实用新型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，但并不会偏离本实用新型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用于驱动支撑轴(2)绕自身中轴线转动的驱动组件以及用于调节重心位置的调节组件，由所述连接座、驱动组件和调节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所述的球形机器人，其特征在于，所述的驱动组件包括固定在连接座上的第一电机(3)、设于第一电机(3)转轴上的主动轮(4)和同轴固连在支撑轴(2)上的从动轮(5)，所述的主动轮(4)与从动轮(5)传动连接。

3.根据权利要求2所述的球形机器人，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(61)、套设在支撑轴(2)上的与第一连接板(61)相对设置的第二连接板(62)以及固定在第一连接板(61)与第二连接板(62)下端的支撑底板(63)，所述的第一电机(3)固定在支撑底板(63)上。

4.根据权利要求3所述的球形机器人，其特征在于，所述的第一电机(3)固定在支撑底板(63)的底部，所述的支撑底板(63)上设有位于从动轮(5)正下方的穿出孔，所述的主动轮(4)位于穿出孔的正下方，所述的主动轮(4)通过传动带(7)与从动轮(5)传动连接。

5.根据权利要求3所述的球形机器人，其特征在于，所述的连接座还包括固定在第一连接板(61)与第二连接板(62)上端的支撑顶板(64)，所述的调节组件设于支撑顶板(64)上。

6.根据权利要求1或5所述的球形机器人，其特征在于，所述的调节组件包括固定在连接座上的第二电机(8)和设于第二电机(8)转轴上的配重体(9)，所述第二电机(8)的转轴沿前后方向水平设置，所述第二电机(8)转轴的中轴线在水平面上的投影与球壳(1)的前后延伸的横向中心线在水平面上的投影重合。

7.根据权利要求1所述的球形机器人，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(10)。

8.根据权利要求1所述的球形机器人，其特征在于，所述球壳(1)的左侧设有第三电机(11)，所述第三电机(11)的转轴与支撑轴(2)同轴，所述第三电机(11)的转轴上设有摄像头/传感器(12)；所述球壳(1)的右侧设有第四电机(13)，所述第四电机(13)的转轴与支撑轴(2)同轴，所述第四电机(13)的转轴上设有光源/传感器(14)；所述第三电机(11)与第四电机(13)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(15)，所述支撑轴(2)的左端与第一安装筒(15)同轴固连，所述的第三电机(11)设于第一安装筒(15)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(16)，所述支撑轴(2)的右端与第二安装筒(16)同轴固连，所述的第四电机(13)设于第二安装筒(16)内。

10.根据权利要求9所述的球形机器人，其特征在于，所述的第三电机(11)与第一安装筒(15)之间设有与支撑轴(2)同轴设置的第三轴承(17)，所述第三电机(11)的重心低于第三电机(11)转轴的中轴线；所述的第四电机(13)与第二安装筒(16)之间设有与支撑轴(2)同轴设置的第四轴承(18)，所述第四电机(13)的重心低于第四电机(13)转轴的中轴线。

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