CN2794773Y - 全向滚动球形机器人结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种全向滚动球形机器人结构，它属于机械技术领域，涉及非电变量的控制或调节系统中有关陆地、水上运载工具的二维行走的控制装置，主要解决目前已有的球形机器人装置中，在球体内没有相对稳定的平台，安装仪器或设备，用来进行不同实验和测试的问题。本实用新型的组成除包括外球壳、电机、转盘之外，还特别设计了包括内球壳、稳定平台和位于内、外球壳之间的平台稳定机构。内球壳与外球壳同心安装，稳定平台安装在内球壳的内部，平台稳定机构由滚珠轴承和短轴构成，通过平台稳定机构使球体在作全向滚动的过程中，稳定平台始终保持稳定平动运动的状态。本实用新型可广泛用于探测、运输、侦查、娱乐、军事等方面。

Description

全向滚动球形机器人结构

技术领域

本实用新型属于机械技术领域，涉及非电变量的控制或调节系统中有关陆地、水上运载工具的二维行走的控制装置，具体地说是一种全向滚动球形机器人结构，用于探测、运输、侦查、娱乐、军事等领域。

背景技术

球形机器人是一种新型的机器人，造型新颖别致，控制简单，行动灵活，几乎没有死角，可以轻易地实现零角度转弯，无论在工业上还是在民用和军事上都具有广泛的应用前景。因此，倍受世界各国科技人员的关注，是目前智能机器人研究领域的热点问题之一，不少国家都进行了大量的研究和实验。

在国外，2000年Bhattacharya等美国人设计了一种在球壳内部过球心的平面上，相互垂直的方向上安装两个电机，每个电机的定子和球壳固联，电机轴上分别安装一个圆盘，电机驱动圆盘转动，进而驱动球体在平面上全向滚动(参见《Design，Experiments and Motion Planning of a Spherical RollingRobot》，Proceedings of the 2000 IEEE International Conference on Robotics &Automation San Francisco，CA.April 2000)。2002年Javadi等伊朗人在球壳内与球壳固联了四根成正四面体空间均布的轮幅，每个轮幅上都有一套独立的驱动系统：由一台步进电机通过丝杠驱动一个配重块沿轮幅方向来回移动，通过改变轮幅上的配重的位置来驱动球体全向运动(参见《Introducing August：ANovel Strategy for An Omni directional Spherical Rolling Robot》，Proceedings ofthe 2002 IEEE International Conference on Robotics&Automation SanWashington，DC.MAY 2002)。

在国内，相关的发明专利有：《自主球形机器人》，申请号为99122494.9，该发明的行走驱动的基本原理是：在球壳内部，一台直流伺服电机，通过传动改变活动质量块的位置，产生重力矩驱动球体向前或向后滚动。另一台直流伺服电机，通过调整滑块的位置实现平衡和转弯。在国内相关的另一项发明专利是《改进的球形机器人全方位行走装置》，申请号为02128933.6，它的驱动的基本原理是：在球壳内有一个圆环，圆环上安装有两台电机，其中一台电机的电机轴上的小齿轮与支撑座上的大齿轮相啮合而带动其前后转动，安装在圆环上或通过短轴铰链安装在内接长轴上的另一台电机轴上的小齿轮，与内接长轴上固装的大齿轮相啮合而带动其左右转动。

如上所述，近几年来，虽然国内、外已有的球形机器人装置，都分别采用不同的驱动方式，实现了球体的全向滚动。但是，在这些装置中，都存在着在球体内部没有提供稳定平台的问题，致使球壳内的所有部件都时刻随着球体一起滚动，无法安装仪器或设备，用来进行不同的实验、测试和监测外部环境等。因此，这些球形机器人装置很难或无法应用到实际的工作和生活中，限制了它们的推广应用。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有的球形机器人装置存在的问题，提供一种全向滚动球形机器人结构。该全向滚动球形机器人结构中的稳定平台在球体做全向滚动的过程中始终作平动运动，处于相对稳定的状态，以实现在平台上安装各种仪器或设备，进行不同的实验和测试。

本实用新型的技术方案是这样实现的：

在球形机器人的外球壳内设计安装了一个与外球壳同心的内球壳，在内、外球壳之间安装了行走传动机构和平台稳定机构，在内球壳中安装了稳定平台。行走传动机构实现球体的全向滚动。平台稳定机构使得该球形机器人在做全向滚动的过程中，始终保持稳定平台平动运动，处于相对稳定的状态，从而实现了本实用新型的目的。具体地说，全向滚动球形机器人结构，包括外球壳、电机、转盘、配重体、圆盘、内球壳、稳定平台、孔用挡圈和平台稳定机构。两个电机在过球心的平面上，相互垂直安装在外球壳的内侧，两个转盘分别固定在两个电机的轴上，构成该全向滚动球形机器人结构的行走传动机构。两个配重体与两个电机对称的安装在外球壳的内侧，两个配重体上各安装一个圆盘，配重体采用蓄电池，并给电机供电。内球壳同心安装在外球壳中，在内球壳内安装有稳定平台，该稳定平台的外球面通过滚珠与内球壳之间构成球面滚动接触。

所述的转盘和圆盘的中间分别过盈联接滚珠轴承，该滚珠轴承与内球壳之间安装有短轴，该短轴的圆柱面端的外侧面与滚珠轴承的内圈过盈联接，短轴的内球面端的内球面与内球壳的外表面形成球面副接触，构成平台稳定机构。通过平台稳定机构使得球体在滚动的过程中，稳定平台始终保持稳定平动运动的状态。

所述的滚珠轴承，通过孔用挡圈进行定位。

本实用新型与现有技术相比具有如下的优点：

1.本实用新型第一次在球形机器人内部提供了一个相对稳定的仪器或设备搭载平台，这个平台在球体做全向滚动的过程中始终作平动运动，处于相对稳定的状态。在这个稳定平台上，人们可以安装诸如摄像头、各种用途的传感器、执行器等，对外部环境进行监测，自主规划和控制球形机器人的运动。

2.通过控制两个电机的转速和转向，就可实现该球形机器人的全向滚动，使球形机器人可到达任意位置。

3.本实用新型简化了球形机器人的驱动装置，结构简单，可根据不同用途制作成不同尺寸大小的机器人，可形成系列化；其制造和装配简单，成本低廉。

4.该球形机器人的重心始终位于球体形心的下方，从而使得该球形机器人能够很方便地静止稳定在任意位置上。

由于本实用新型具有上述的优点，因此具有广泛的推广应用价值。可面向家庭作为电子管家来对数字家电进行控制，也可以作为电子宠物供人们娱乐；在工业应用上，可作为探索的仪器搭载平台用来对管道、沟渠等特殊环境的探索；对企事业单位可用作下班后的保安和巡逻工作；在军事应用上，可用它搭载侦察装置进行侦查，若搭载武器，可完成特殊的战斗任务；在交通运输方面，可作为一种特殊的运载工具，能在柔软的土壤、沙地、雪地或冰面上运行。

附图说明

图1是本实用新型的结构组成示意图

图2a是本实用新型的虚拟样机运动仿真结果中外球壳沿X轴的角速度曲线图

图2b是本实用新型的虚拟样机运动仿真结果中外球壳沿Y轴的角速度曲线图

图2c是本实用新型的虚拟样机运动仿真结果中外球壳沿Z轴的角速度曲线图

图3a是本实用新型的虚拟样机运动仿真结果中内球壳沿X坐标轴的角速度曲线图

图3b是本实用新型的虚拟样机运动仿真结果中内球壳沿Y坐标轴的角速度曲线图

图3c是本实用新型的虚拟样机运动仿真结果中内球壳沿Z坐标轴的角速度曲线图

具体实施方式

参照图1，它是本实用新型的结构组成示意图，该全向滚动球形机器人结构包括外球壳1、电机2和电机10、转盘7和转盘9、配重体14和配重体18、圆盘13和圆盘17、内球壳11、稳定平台12、孔用挡圈6和平台稳定机构。两个电机在过球心的平面上，相互垂直安装在外球壳1的内侧，用螺钉5固定。两个转盘分别用紧定螺钉或销3固定在两个电机的轴上，电机和转盘构成该装置的行走传动机构。配重体14和18与两个电机对称的安装在外球壳1的内侧，用螺钉5固定，配重体采用蓄电池，并给电机供电。在配重体14和18上用螺钉15分别安装固定圆盘13和圆盘17。内球壳11同心安装在外球壳1中，在内球壳1内安装有稳定平台12，稳定平台可制作成半球形或球台形，该稳定平台的外球面通过滚珠16与内球壳11之间构成球面滚动接触。在转盘7和转盘9、圆盘13和圆盘17的中间各过盈联接一个滚珠轴承4。该滚珠轴承4与内球壳11之间安装有短轴8，短轴8采用一端为圆柱面，另一端为内球面的一体形状，短轴8的圆柱面端的外侧面与滚珠轴承4的内圈过盈联接，短轴8的内球面端的内球面与内球壳11的外表面形成球面副接触，构成平台稳定机构。通过平台稳定机构使得球体在滚动的过程中，稳定平台始终保持稳定平动运动的状态。滚珠轴承4通过孔用挡圈6进行定位。

本实用新型的具体实施过程为，如果电机2不启动，从电机轴端观察，电机10顺时针转动，带动其轴上的转盘9也顺时针转动，电机10的外壳和外球壳1逆时针转动，球形机器人向前滚动，内球壳11不转动，内球壳11和稳定平台12随球形机器人向前平动，相对于球心保持静止状态；如果电机10逆时针转动，带动其轴上的转盘9也逆时针转动，电机10的外壳和外球壳1顺时针转动，球形机器人向后滚动，内球壳11不转动，内球壳11和稳定平台12随球形机器人向后平动，相对于球心保持静止状态；如果电机10不启动，电机2顺时针转动，带动其轴上的转盘7也顺时针转动，电机2的外壳和外球壳1逆时针转动，球形机器人向左滚动，内球壳11不转动，内球壳11和稳定平台12随球形机器人向左平动，相对于球心保持静止状态；如果电机2逆时针转动，带动其轴上的转盘7也逆时针转动，电机2的外壳和外球壳1顺时针转动，球形机器人向右滚动，内球壳11不转动，内球壳11和稳定平台12随球形机器人向右平动，相对于球心保持静止状态。如果电机2和电机10同时转动，通过控制电机2和电机10的转速，电机2和电机10的外壳就同时带动外球壳1转动，该球形机器人就可做全向滚动。

本实用新型的效果可通过仿真结果证明：

如图2所示，它是本实用新型的虚拟样机运动仿真结果中外球壳沿三个惯性坐标轴的角速度曲线。其中图2a为外球壳绕x轴的角速度曲线图，图2b为外球壳绕y轴的角速度曲线图，图2c为外球壳绕z轴的角速度曲线图，可以发现，外球壳的角速度曲线连续变化，实现球体的全向连续滚动。

如图3所示，它是本实用新型的虚拟样机运动仿真结果中内球壳沿三个惯性坐标轴的角速度曲线。图3a、3b和3c所示的内球壳沿三个惯性坐标轴x、y和z的角速度曲线表明，内球壳沿三个惯性坐标轴的角速度分量均为零，即内球壳11不转动，从而使稳定平台12相对于球心始终保持静止状态，以保证安装在平台12上的仪器设备具有相对稳定的姿态。

Claims (2)

1、一种全向滚动球形机器人结构，包括外球壳、电机、转盘、配重体、圆盘，电机(2)和电机(10)在过球心的平面上，相互垂直安装在外球壳(1)的内侧，转盘(7)和转盘(9)分别固定在两个电机的轴上，配重体(14)和(18)与电机对称的安装在外球壳(1)的内侧，配重体上分别安装有圆盘(13)和圆盘(17)，其特征在于：

外球壳(1)的内部同心安装有内球壳(11)，该内球壳内安装有稳定平台(12)，该稳定平台的外球面通过滚珠(16)与内球壳(11)之间构成球面滚动接触；

所述转盘和圆盘的中间分别过盈联接滚珠轴承(4)，该滚珠轴承与内球壳(11)之间安装有短轴(8)，该短轴(8)的圆柱面端的外侧面与滚珠轴承(4)的内圈过盈联接，短轴(8)的内球面端的内球面与内球壳(11)的外表面形成球面副接触，构成平台稳定机构。

2、根据权利要求1所述的全向滚动球形机器人结构，其特征在于滚珠轴承(4)通过孔用挡圈(6)进行定位。

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