專利名稱：全向運動球形機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種全向運動球形機器人，屬于機電一體化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及 一種球形機器人，可用于環(huán)境探測、軍事偵查、外星探險、家庭娛樂等領(lǐng)域。
技術(shù)背景球形機器人是一種新型結(jié)構(gòu)的滾動行走機器人，具有運動速度快、越野性能 好、控制相對簡單等特點，逐漸成為國內(nèi)外智能機器人研究領(lǐng)域的熱點之一。第 一臺真正的球形機器人是芬蘭Hakne等人在1996年設(shè)計的(參見《Motion Control ofA Spherical Mobile robot》，Proceedings of AMC，96-MIE， IEEE， 1996:259-264)， 他們在球殼內(nèi)設(shè)置了一個驅(qū)動輪，由電機驅(qū)動其在球殼內(nèi)滾動，通過改變球體的 重心實現(xiàn)機器人的直線運動，但缺點是不能改變運動方向。此后，國內(nèi)外不斷出 現(xiàn)各種新的球形機器人裝置，其中的幾種球形機器人方案頗具代表性。Roball是Francois Michaud等人于2001年提出的一種球形機器人方案(參 見《Autonomous Spherical Mobile Robot for Child Development Studies》，IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, 35(4):1-10;相近的國內(nèi)專利號為 01241360.7的實用新型《球形機器人》)，它在過球心的主軸上懸掛重物，通過安 裝在主軸上的電機驅(qū)動球殼作直線前后運動，通過驅(qū)動重物左右偏移使球體左右 傾轉(zhuǎn)以實現(xiàn)機器人轉(zhuǎn)向。該方案控制簡單，但不能靜止原地轉(zhuǎn)向，并且兩個電機 必須分別克服球殼與重物的轉(zhuǎn)動慣量，因而對電機組件的驅(qū)動能力要求較高；同 時，當主軸伸出球殼外時，必須考慮傾斜轉(zhuǎn)彎可能的觸地問題。申請?zhí)枮?00510011953.9的《全方位運動球形機器人》，在球殼內(nèi)部有一個 不與球殼固連的運動機構(gòu)，它通過獨輪滾動裝置在球殼內(nèi)滾動，推動球體作直線 運動，通過改變獨輪滾動裝置相對支撐機構(gòu)的朝向來實現(xiàn)機器人的全方位運動。 該方案結(jié)構(gòu)簡潔，安裝方便，但獨輪滾動裝置與球殼的滾動接觸由運動機構(gòu)的自
重來保證，因而抗振性能不足；同時，由于球體滾動的隨機性，球殼上無固定接 口，不能在外部搭載附屬件，因而在充電和維護時必須打開球殼，球體的密封性 受到影響。
專利號為02128933.6的《改進的球形機器人全方位行走裝置》，在球殼內(nèi)有 一圓環(huán)，兩頭伸出兩根支撐短軸，圓環(huán)上有一電機通過齒輪嚙合帶動圓環(huán)與球殼 作相對滾動；圓環(huán)內(nèi)與短軸垂直的方向上放置一根長軸，長軸中心設(shè)有配重塊， 圓環(huán)上另一電機通過齒輪嚙合驅(qū)動球殼與配重塊作繞長軸的相對滾動。該方案結(jié) 構(gòu)較復雜、重心較高，不能在任意點原地轉(zhuǎn)向，難以在外部搭載附屬件，充電與 維護等工作存在難度。
總體看來，現(xiàn)有的球形機器人方案各有千秋，但大都存在著結(jié)構(gòu)復雜、工程 實現(xiàn)較難、實用性較低的不足。特別是，有些裝置的轉(zhuǎn)向運動與前進運動耦合， 使得球體內(nèi)部驅(qū)動機構(gòu)的狀態(tài)不確定，加大了控制難度；極少能在任意點原地轉(zhuǎn) 向，限制了機器人在狹窄而曲折空間內(nèi)的使用，且未見球殼相對地面的原地轉(zhuǎn)向 方式；無外部固定接口或不能在球殼外搭載附件，造成實際使用中調(diào)試、充電與 維護困難，同時限制了各種環(huán)境探測傳感器和機械手的有效使用。 發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種結(jié)構(gòu)新穎、控制簡單、穩(wěn)定性好、實用性強、具 有良好的抗振動和抗沖擊性能，且能全向運動并在任意點原地轉(zhuǎn)向、可在球殼外 搭載附件的球形機器人結(jié)構(gòu)方案，克服現(xiàn)有方案的不足。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是全向運動球形機器人，由球殼及其內(nèi)部的行走驅(qū) 動裝置組成。該行走驅(qū)動裝置包括水平圓環(huán)和垂直固連于水平圓環(huán)下側(cè)的半圓 架；水平圓環(huán)沿其直徑方向外側(cè)對稱固連一對短軸，短軸沿球體直徑方向經(jīng)軸承 與球殼形成轉(zhuǎn)動副；半圓架的下方固連一個直線行走機構(gòu)，該機構(gòu)由行走電機、 主輪和配重組成，主輪在行走電機驅(qū)動下沿球殼內(nèi)側(cè)滾動，通過前后移動球體重 心推動球體直線運動；半圓架的上方安裝有轉(zhuǎn)向控制機構(gòu)，該機構(gòu)由轉(zhuǎn)向電機、
水平桿和連接在水平桿兩端的質(zhì)量塊組成，水平桿與質(zhì)量塊在轉(zhuǎn)向電機的驅(qū)動下 繞半圓架的幾何中心線轉(zhuǎn)動，引起球殼反向轉(zhuǎn)動從而改變球體的運動方向。 該方案的優(yōu)點是
1) 驅(qū)動機構(gòu)簡潔，重心處于球體的下方，穩(wěn)定性好、系統(tǒng)響應速度快；
2) 兩個電機分別驅(qū)動球體的直線運動和轉(zhuǎn)向運動，控制方式解耦，可實現(xiàn) 球形機器人全向行走和任意點原地轉(zhuǎn)向；
3) 直線行走機構(gòu)若設(shè)有調(diào)節(jié)主輪與球殼接觸力的壓力調(diào)節(jié)器，質(zhì)量塊與水 平圓環(huán)之間若構(gòu)成防脫落約束，可有效改善球形機器人的運動抗振性；
4) 當轉(zhuǎn)向電機豎直固連于半圓架上側(cè)的最下端，所述轉(zhuǎn)向控制機構(gòu)還包括 一根一端與電機軸相連，另一端與水平桿垂直固連的轉(zhuǎn)軸。此時所有電氣部件均 沒有相對運動，因而相互間的連線不會出現(xiàn)纏繞情況，無需借助電氣滑環(huán)，有利 于集中統(tǒng)一控制；
5) 若將水平圓環(huán)沿其直徑方向外側(cè)對稱固連的一對短軸設(shè)置為空心短軸并 伸出球殼，則可搭載附件(用于裝載攝像頭、各種姿態(tài)或環(huán)境傳感器、天線、電 池、充電接口、配重等)，從而提高球形機器人的實用價值；
6) 當在球殼外部包裹輕質(zhì)的沖氣密封材料時，球殼外徑變大，可提高球形 機器人水面行走能力和抗沖擊性能；
7) 以水平圓環(huán)為基準可設(shè)有工作平面。

圖1為本發(fā)明的實施例1的整體結(jié)構(gòu)俯視示意圖。
圖2為實施例1的前視示意圖。
圖3為本發(fā)明的實施例2的整體結(jié)構(gòu)俯視示意圖。
圖4為實施例2的前視示意圖。
圖5為本發(fā)明的實施例3的整體結(jié)構(gòu)俯視示意圖。
圖6為實施例3的前視示意圖。
圖中標記名稱1、球殼，2、基座，3、短軸，4、軸承，5、水平圓環(huán)，6、
半圓架，7、行走電機，8、主輪，9、配重，10、附件，11、轉(zhuǎn)向電機，12、聯(lián) 軸器，13、水平桿，14、質(zhì)量塊，15、小輪，16、轉(zhuǎn)軸，17、質(zhì)量盤或有輻條的 質(zhì)量環(huán)，18、壓力調(diào)節(jié)器。
具體實施方式

如圖l、圖2所示，本發(fā)明的實施例l是全向運動球形機器人，由球殼l
及其內(nèi)部的行走驅(qū)動裝置組成。其行走驅(qū)動裝置包括水平圓環(huán)5和垂直固連于水 平圓環(huán)5下側(cè)的半圓架6;水平圓環(huán)5沿其直徑方向外側(cè)對稱固連一對短軸3， 短軸3沿球體直徑方向經(jīng)軸承4與球殼1形成轉(zhuǎn)動副；半圓架6的下方固連一個 直線行走機構(gòu)，該機構(gòu)由行走電機7、主輪8和配重9組成，主輪8在行走電機 7驅(qū)動下沿球殼1內(nèi)側(cè)滾動，通過前后移動球體重心推動球體直線運動；半圓架 6的上方安裝有轉(zhuǎn)向控制機構(gòu)，該機構(gòu)由豎直固連于半圓架6上側(cè)最下端的轉(zhuǎn)向 電機11、 一端經(jīng)連軸器12與電機軸連接另一端與水平桿13垂直固連的轉(zhuǎn)軸16、 及連接在水平桿13兩端的質(zhì)量塊14組成；其中，水平桿13與質(zhì)量塊14在轉(zhuǎn)向 電機11的驅(qū)動下繞半圓架6的幾何中心線轉(zhuǎn)動，引起球殼1反向轉(zhuǎn)動從而改變 球體的運動方向。
如圖3、圖4所示，本發(fā)明的實施例2是直線行走同實施例l，轉(zhuǎn)向控制 機構(gòu)由豎直固連于半圓架6上側(cè)最下端的轉(zhuǎn)向電機11、取代水平桿13與質(zhì)量塊 14組合體的有輻條的質(zhì)量環(huán)17、一端經(jīng)連軸器12與電機軸連接另一端與質(zhì)量環(huán) 17的輻條垂直固連的轉(zhuǎn)軸16組成。
如圖5、圖6所示，本發(fā)明的實施例3是直線行走同實施例l，轉(zhuǎn)向控制 機構(gòu)由水平桿13及其兩端含有小輪15的質(zhì)量塊14組成，轉(zhuǎn)向電機11安裝于質(zhì) 量塊14內(nèi)部，用以驅(qū)動小輪15沿水平圓環(huán)5運動；其中，水平桿13設(shè)有調(diào)節(jié) 小輪15與凹槽接觸力的壓力調(diào)節(jié)器18。
關(guān)于本發(fā)明的各種實施例，還有如下說明
1) 配重9可以是電池、電路板等。
2) 直線行走機構(gòu)內(nèi)部設(shè)有壓力調(diào)節(jié)器，以保證主輪8在球殼1內(nèi)滾動時具有合適的接觸力。
3) 質(zhì)量塊14、或者質(zhì)量盤或有輻條的質(zhì)量環(huán)17與水平圓環(huán)5之間構(gòu)成防 脫落約束。
4) 主輪8與球殼1之間、質(zhì)量塊14與水平圓環(huán)5之間呈輪式接觸或齒式嚙 合；并且在實施例1和2中，質(zhì)量塊14或者質(zhì)量盤或質(zhì)量環(huán)17與水平圓環(huán)5 之間亦可為滑動接觸或含滾珠的滾動接觸。
5) 轉(zhuǎn)向控制機構(gòu)中水平桿13與質(zhì)量塊14的組合體，或者質(zhì)量盤或有輻條 的質(zhì)量環(huán)17，其質(zhì)量分布繞半圓架6的幾何中心線中心對稱。
6) 兩根短軸3可為空心并伸出球殼，以固連或懸掛方式搭載附件IO (用于 裝載攝像頭、傳感器、天線、電池、配重、擴展接口等)。
7) 球殼1外部可包裹輕質(zhì)的沖氣密封材料，使球殼外徑增大，從而提高球 形機器人水面行走能力和抗沖擊性能。
8) 該球形機器人工作時，內(nèi)部的水平圓環(huán)5傾斜較小，可以其為基準設(shè)置 工作平面，用來放置儀器和設(shè)備。
權(quán)利要求1、一種全向運動球形機器人，由球殼(1)及其內(nèi)部的行走驅(qū)動裝置組成，其特征在于行走驅(qū)動裝置包括水平圓環(huán)(5)和垂直固連于水平圓環(huán)(5)下側(cè)的半圓架(6)；所述水平圓環(huán)(5)沿其直徑方向外側(cè)對稱固連一對短軸(3)，短軸(3)沿球體直徑方向經(jīng)軸承(4)與球殼(1)形成轉(zhuǎn)動副；所述半圓架(6)的下方固連一個直線行走機構(gòu)，該機構(gòu)由行走電機(7)、主輪(8)和配重(9)組成，主輪(8)在行走電機(7)驅(qū)動下沿球殼(1)內(nèi)側(cè)滾動，通過前后移動球體重心推動球體直線運動；所述半圓架(6)的上方安裝有轉(zhuǎn)向控制機構(gòu)，該機構(gòu)由轉(zhuǎn)向電機(11)、水平桿(13)和連接在水平桿(13)兩端的質(zhì)量塊(14)組成，水平桿(13)與質(zhì)量塊(14)在轉(zhuǎn)向電機(11)的驅(qū)動下繞半圓架(6)的幾何中心線轉(zhuǎn)動，引起球殼(1)反向轉(zhuǎn)動從而改變球體的運動方向。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的全向運動球形機器人，其特征在于所述直線行 走機構(gòu)含有調(diào)節(jié)主輪(8)與球殼(1)接觸力的壓力調(diào)節(jié)器。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的全向運動球形機器人，其特征在于所述水平圓 環(huán)(5)設(shè)有防止質(zhì)量塊(14)脫出的凹槽。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1-3所述的任一全向運動球形機器人，其特征在于所述 轉(zhuǎn)向電機(11)豎直固連于半圓架(6)上側(cè)的最下端，所述轉(zhuǎn)向控制機構(gòu)還包 括一根一端與電機軸相連，另一端與水平桿(13)垂直固連的轉(zhuǎn)軸(16)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的全向運動球形機器人，其特征在于所述水平桿 (13)與質(zhì)量塊(14)的組合體，為質(zhì)量盤或有輻條的質(zhì)量環(huán)(17)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求卜3所述的任一全向運動球形機器人，其特征在于所述 轉(zhuǎn)向電機(11)安裝于質(zhì)量塊(14)的內(nèi)部，用以驅(qū)動小輪(15);且水平桿(13) 設(shè)有調(diào)節(jié)小輪(15)與水平圓環(huán)(5)接觸力的壓力調(diào)節(jié)器(18)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全向運動球形機器人，其特征在于所述的短軸 (3)為空心并伸出球殼(1)以搭載附件(10)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全向運動球形機器人，其特征在于所述球殼(l) 外部包裹輕質(zhì)的沖氣密封材料或減振材料。
9、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的全向運動球形機器人，其特征在于以所述水平 圓環(huán)(5)為基準設(shè)有工作平面。
專利摘要本全向運動球形機器人，涉及球形機器人技術(shù)領(lǐng)域。其行走驅(qū)動裝置包括水平圓環(huán)(5)和垂直固連于水平圓環(huán)下側(cè)的半圓架(6)；水平圓環(huán)通過短軸(3)和軸承與球殼形成轉(zhuǎn)動副；半圓架下方固連一個直線行走機構(gòu)，該機構(gòu)由行走電機(7)、主輪(8)和配重(9)組成，主輪在行走電機的驅(qū)動下沿球殼內(nèi)側(cè)滾動，通過前后移動球體重心推動球體直線運動；半圓架上方安裝有轉(zhuǎn)向控制機構(gòu)，該機構(gòu)由轉(zhuǎn)向電機(11)、水平桿(13)和質(zhì)量塊(14)組成；水平桿和質(zhì)量塊在轉(zhuǎn)向電機的驅(qū)動下繞半圓架的幾何中心線轉(zhuǎn)動，引起球殼反向轉(zhuǎn)動從而改變球體的運動方向。本實用新型結(jié)構(gòu)新穎，控制簡單，穩(wěn)定性好，具有全向運動、原地轉(zhuǎn)向及搭載附件能力。
文檔編號B62K1/00GK201176217SQ20082003272
公開日2009年1月7日 申請日期2008年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月28日
發(fā)明者濤 吳, 吳惠祥, 斌 姜, 忠 楊, 王志勝, 董榮俊 申請人:南京航空航天大學