CN218907439U - 一种球形机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种球形机器人，包括球壳和设置于球壳内部的驱动装置和控制装置；驱动装置包括安装平台和驱动组件；驱动组件包括主动轮、从动轮和驱动电机；安装平台包括设置于球壳内部下方的稳定基座，稳定基座两侧分别安装有一驱动电机，每个驱动电机分别安装有一主动轮；稳定基座的两侧分别向上延伸设置有支撑臂，每个支撑臂分别安装有一从动轮；每个主动轮和从动轮均与球壳内壁接触以形成四个不在同一平面的驱动点；稳定基座中部安装有控制装置，控制装置用于接收外部指令以驱动驱动装置带动球壳发生运动。本实用新型通过四个驱动点改变球形机器人整体的质量分布，驱动球体进行运动，防止驱动体运动过大时，“飞出球体”的现象，提升稳定性。

Description

一种球形机器人

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，尤其涉及一种球形机器人。

背景技术

球形移动机器人是一种特殊类型的移动机器人，球形机器人的驱动系统设在球壳内,是一个采用内部驱动的方法进行运动的机器人。其运动方式是利用球体转动进行移动,由于球体本身就是大自然中的优质转动物体,它区别于其他移动机器人的最大优点,便是能够进行全向转动,因此一些球体机器人还拥有零半径转弯的特性，能够将平移运动和旋转运动分离，使球形机器人的运动控制更加灵活，这种特殊的运动方式也使得球形机器人能够通过略大于其半径的弯曲通道，因此运动性能更好。与轮式自动化机器人相比，其球形的外壳，使得球形机器人在行走过程中不存在侧翻的问题，具有良好的越障性能，适用于复杂地形或野外的探测；与腿足式机器人相比，球形机器人具有移动速度快、驱动少、控制简单的优点；另一方面，由于球形机器人的所有机械机构、电子设备都位于球壳内部，受到了有效的缓冲和保护，使其可以适应复杂的外部环境，在救灾、军事侦察和地质勘探等方面具有广阔的应用前景。

现有的一种球形机器人，针对其内部的小车，采用了三个麦克纳姆轮作为小车的驱动轮，并且使用拉格朗日动力学模型对其轨迹跟踪控制算法进行了证明。却存在如下缺点：

该设计只依靠三个麦克纳姆轮的相互抵制力来进行与球的内壁进行紧密接触，但是万一收到了强烈的撞击，或者陡峭的路面，会存在滑轮的情况，导致丧失动力。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对背景技术中的缺陷，提出一种球形机器人，通过四个驱动点改变球形机器人整体的质量分布，驱动球体进行运动；同时，通过四个点与球壳的接触，还让球形机器人有着球壳给予的固定作用，内部驱动体进行主动运动时，能防止驱动体运动过大时，“飞出球体”的现象，结构稳定性进一步提高。

为了解决上述问题，本实用新型按以下技术方案予以实现的：

本实用新型所述一种球形机器人，包括球壳以及设置于球壳内部的驱动装置和控制装置；

所述驱动装置包括安装平台和驱动组件；

所述驱动组件包括主动轮、从动轮和驱动电机；

所述安装平台包括设置于所述球壳内部下方的稳定基座，所述稳定基座两侧分别安装有一驱动电机，每个驱动电机分别安装有一主动轮；

所述稳定基座的两侧分别向上延伸设置有支撑臂，每个支撑臂分别安装有一从动轮；

每个所述主动轮和所述从动轮均与所述球壳内壁接触以形成四个不在同一平面的驱动点；

所述稳定基座中部安装有所述控制装置，所述控制装置用于接收外部指令以驱动所述驱动装置带动所述球壳发生运动。

优选的，所述稳定基座的座体的纵向截面为梯形结构，且其座体的外壁被设计成契合所述球壳内壁的弧面结构。

优选的，所述稳定基座的两侧分别开设有安装通道和安装缺口，所述驱动电机可倾斜设置于所述安装通道内，且所述主动轮倾斜设置于所述安装缺口，以使所述主动轮的轮面与所述球壳内壁接触形成驱动点。

优选的，所述稳定基座的上座面两侧分别向上延伸有所述支撑臂，所述支撑臂包括第一支撑杆和第二支撑杆，所述第一支撑杆和第二支撑杆的下端部相互远离且固定于所述稳定基座的上座面，所述第一支撑杆和第二支撑杆的上端部相互交接且朝向所述球壳的内壁方向弯曲以构成安装基准面，所述安装基准面用于安装所述从动轮且使所述从动轮与所述球壳内壁接触形成驱动点。

优选的，所述球壳为可拆卸式的亚克力透明球体结构。

优选的，所述驱动电机为直流减速电机。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型通过四点定球原理，在球壳内部，选取不在同一平面内的四个点，在内部确定出接触球壳的四个驱动点，这四个驱动点与球壳紧密接触，通过下方主动轮提供的主动运动，提供给内部驱动系统一个行走动力，带动球壳的转动和上方从动轮的转动，从而改变球形机器人整体的质量分布，驱动球体进行运动；同时，通过四个点与球壳的接触，还让球形机器人有着球壳给予的固定作用，内部驱动体进行主动运动时，能防止驱动体运动过大时，“飞出球体”的现象，结构稳定性进一步提高。

附图说明

其中：

图1是本实用新型的一个实施例的球形机器人正视结构图；

图2是本实用新型的一个实施例的球形机器人的结构示意图；

图3是本实用新型的一个实施例的球形机器人的俯视结构图；

图4是本实用新型的一个实施例的球形机器人的侧视结构图。

其中：球壳1、主动轮2、从动轮3、驱动电机4、稳定基座5、支撑臂6、第一支撑杆61、第二支撑杆62。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

现有的球型机器人采用了三个麦克纳姆轮作为小车的驱动轮，但依靠三个麦克纳姆轮的相互抵制力来进行与球的内壁进行紧密接触，但是万一收到了强烈的撞击，或者陡峭的路面，会存在滑轮的情况，导致丧失动力。为了解决上述问题，本申请提出一种球形机器人，如图1至图4所示，具体包括球壳1以及设置于球壳1内部的驱动装置和控制装置；

所述驱动装置包括安装平台和驱动组件；

所述驱动组件包括主动轮2、从动轮3和驱动电机4；

所述安装平台包括设置于所述球壳1内部下方的稳定基座5，所述稳定基座5两侧分别安装有一驱动电机4，每个驱动电机4分别安装有一主动轮2；

所述稳定基座5的两侧分别向上延伸设置有支撑臂6，每个支撑臂6分别安装有一从动轮3；

每个所述主动轮2和所述从动轮3均与所述球壳1内壁接触以形成四个不在同一平面的驱动点；

所述稳定基座5中部安装有所述控制装置，所述控制装置用于接收外部指令以驱动所述驱动装置带动所述球壳1发生运动。

考虑到球形机器人运动时需要接触固定，加强摩擦力的作用，达到驱动球壳1转动的效果，因此,本实施例使用四点定球原理，既在球壳1内部，选取不在同一平面内的四个点，在内部确定出接触球壳1的四个驱动点，这四个驱动点与球壳1紧密接触，通过下方的主动轮2提供的主动运动，提供给内部驱动系统一个行走动力，带动球壳1的转动和上方的从动轮3的转动，从而改变球形机器人整体的质量分布，驱动球体进行运动；同时，通过四个点与球壳1的接触，还让球形机器人有着球壳1给予的固定作用，驱动装置进行主动运动时，能防止驱动装置运动过大时，“飞出球体”的现象，结构稳定性进一步提高。

进一步的，考虑到球形机器人运动时需要具有较强的稳定性要求，在球壳1内部的具体空间里，根据不倒翁的原理，将内部驱动体中的主要质量体都集中在球壳1的最底部，上方接触的两点占据的质量比例很小，达到上轻下重的效果。这个效果刚好符合了不倒翁的基本构造，上轻下重，比较稳定，在竖立状态处于平衡时，重心与接触点的距离最小，即重心最低。偏离平衡位置后，重心总是升高的。因此，这种状态的平衡是稳定平衡。根据此原理，本申请通过设置稳定基座5和支撑臂6，将主动轮2、驱动电机4以及控制装置安装在所述稳定基座5上，以使稳定基座5的重量大于支撑臂6和从动轮3的重量，确保球形机器人具备不倒翁天然的稳定结构，同时还能够起到抗震的作用。

进一步的，本实施例中所涉及的控制装置(图中未示出)可以被理解为设置有主控电路的硬件，例如STM32F103C8T6主控芯片、MPU6050陀螺仪、OLED屏显示、手柄、手柄接收器等常规组件，该主控电路有着基本电路和接口电路，各硬件可通过插拔等方式来实现接入，通过外部控制器，例如智能手柄、电脑等控制器，向所述控制装置发送指令，以使得所述驱动装置驱动并带动球壳1朝着指令方向移动，上述所提及的控制装置在结构上和程序控制方面，在本申请中可被理解为常规技术，对此不做更多解释。

优选的，所述稳定基座5的座体的纵向截面为梯形结构，且其座体的外壁被设计成契合所述球壳1内壁的弧面结构。

在本实施例中，所述稳定基座5的座体可以被理解为纵向截面为梯形的弧形体结构，此结构契合所述球壳1内壁，以确保所述球壳1在被动力驱动以发生转动时，所述稳定基座5不会与球壳1发生硬性接触，达到防止所述稳定基座5阻碍球壳1转动的效果。

优选的，所述稳定基座5的两侧分别开设有安装通道和安装缺口，所述驱动电机4可倾斜设置于所述安装通道内，且所述主动轮2倾斜设置于所述安装缺口，以使所述主动轮2的轮面与所述球壳1内壁接触形成驱动点。

在本实施例中，所述驱动电机4为倾斜安装进所述安装通道内部，在这种安装方式下，驱动电机4的驱动端与主动轮2的轮芯安装时，能够保证主动轮2是倾斜设置于所述安装缺口，以确保所述主动轮2的轮面有一点是与球壳1内壁接触的，从而形成驱动点。

优选的，所述稳定基座5的上座面两侧分别向上延伸有所述支撑臂6，所述支撑臂6包括第一支撑杆61和第二支撑杆62，所述第一支撑杆61和第二支撑杆62的下端部相互远离且固定于所述稳定基座5的上座面，所述第一支撑杆61和第二支撑杆62的上端部相互交接且朝向所述球壳1的内壁方向弯曲以构成安装基准面，所述安装基准面用于安装所述从动轮3且使所述从动轮3与所述球壳1内壁接触形成驱动点。

在本实施例中，所述第一支撑杆61和第二支撑杆62的下端部相互远离且固定于所述稳定基座5的上座面，同时两者的上端部相互交接，能够使得上端部和下端部之间形成一个类三角结构，保证所述支撑臂6整体的稳定性；

进一步的，所述第一支撑杆61和第二支撑杆62的上端部交接之后，会朝向所述球壳1的内壁方向弯曲，形成一定角度的安装基准面，安装基准面相当于给所述从动轮3提供安装位置，同时因为其具备一定的弯曲角度，能够保证从动轮3有一点与所述球壳1的内壁发生接触，形成驱动点。

更进一步的，两组主动轮2和两组从动轮3分别与球壳1的内壁接触形成不在同一平面的四个驱动点，驱动点与驱动点之间的距离在本实施例中可以理解为一致，即四个驱动点之间的连线可构成正方形。

优选的，所述球壳1为可拆卸式的亚克力透明球体结构。

球壳1是球形机器人进行运动的一种基础结构，因为球形机器人结构的特殊性，球形机器人的内部驱动部件是置于球壳1内部的，内部的驱动装置是球形机器人的核心部分，球壳1对球形机器人的内部的驱动装置必须具有保护作用，因此，就要求球壳1必须坚硬、厚实和具有一定的抗压能力；同时，为了适应多变的环境，球壳1要有能够适应不同环境的能力，也就是具有较强防腐蚀能力，考虑球壳1重量对系统整体的影响，应该选用重量轻的球壳1；基于球形机器人需要进行运动转向的功能，球壳1与地面还需具有一定的摩擦系数；为了达到控制的要求，球移动机器人内部会装有一个信号接收器，用于接收遥控指令，为此，球壳1的选用必须能透过无线电波；为了能够直观的观察球移动机器人的运动，球壳1外观得选用透明的样式，针对上述要求，本实施例将所述球壳1设计为可拆卸式的亚克力透明球体结构。

优选的，所述驱动电机4为直流减速电机。

目前较为常见的驱动电机4主要有步进电机和直流伺服电机，不过在相同输出力矩下，步进电机的尺寸通常会比直流伺服电机大许多，在球形机器人有限的空间里，需要选择尽量小的驱动电机4；同时，直流伺服电机控制性能更好，能够简单的通电使用，其控制精度更高，输出力矩更大，结构更加紧凑，能承受的重量和驱动的动力更高，同时其回程的间隙更小，速度的变化更加明显。因此在本实施例的驱动电机4选择上，选用了直流伺服电机作为整体的驱动来源。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，故凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰,均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种球形机器人，其特征在于：包括球壳以及设置于球壳内部的驱动装置和控制装置；

所述驱动装置包括安装平台和驱动组件；

所述驱动组件包括主动轮、从动轮和驱动电机；

所述安装平台包括设置于所述球壳内部下方的稳定基座，所述稳定基座两侧分别安装有一驱动电机，每个驱动电机分别安装有一主动轮；

所述稳定基座的两侧分别向上延伸设置有支撑臂，每个支撑臂分别安装有一从动轮；

每个所述主动轮和所述从动轮均与所述球壳内壁接触以形成四个不在同一平面的驱动点；

所述稳定基座中部安装有所述控制装置，所述控制装置用于接收外部指令以驱动所述驱动装置带动所述球壳发生运动。

2.根据权利要求1所述一种球形机器人，其特征在于：

所述稳定基座的座体的纵向截面为梯形结构，且其座体的外壁被设计成契合所述球壳内壁的弧面结构。

3.根据权利要求1所述一种球形机器人，其特征在于：

所述稳定基座的两侧分别开设有安装通道和安装缺口，所述驱动电机可倾斜设置于所述安装通道内，且所述主动轮倾斜设置于所述安装缺口，以使所述主动轮的轮面与所述球壳内壁接触形成驱动点。

4.根据权利要求1所述一种球形机器人，其特征在于：

所述稳定基座的上座面两侧分别向上延伸有所述支撑臂，所述支撑臂包括第一支撑杆和第二支撑杆，所述第一支撑杆和第二支撑杆的下端部相互远离且固定于所述稳定基座的上座面，所述第一支撑杆和第二支撑杆的上端部相互交接且朝向所述球壳的内壁方向弯曲以构成安装基准面，所述安装基准面用于安装所述从动轮且使所述从动轮与所述球壳内壁接触形成驱动点。

5.根据权利要求1所述一种球形机器人，其特征在于：

所述球壳为可拆卸式的亚克力透明球体结构。

6.根据权利要求1所述一种球形机器人，其特征在于：

所述驱动电机为直流减速电机。

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