專利名稱：改進結構的球形機器人全方位行走裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種改進結構的球形機器人全方位行走裝置，屬于非電變量的控制或調節(jié)系統(tǒng)中的陸地、水上的運載工具(機器人)的二維行走的控制裝置技術領域。
背景技術：
目前，如果有一種行走機器人，它既能像輪式機器人一樣，具有快速行走的性能和較大的承載能力；又能像步行機器人一樣，適應崎嶇不平的地面，將是一種比較理想的機器人，肯定會在實際生活中得到廣泛應用。球形機器人就是為了實現(xiàn)這一目的而開發(fā)設計的新型機器人，它具有高速、大承載、道路適應性強的特點，同時，應該結構簡單，控制方便。
然而目前研制出來的球形機器人尚未達到這一水平。例如，在美國卡耐基·麥隆大學(CMU)徐揚生教授領導的一個研究小組率先提出了高速度單輪月球探測機器人的概念，并已經開發(fā)了一個單輪穩(wěn)定行走機器人I型和II型樣機(參見《A single wheel gyroscopically stabilized robot》，Proceedings of the IEEEInternational Conference on Robotics and Automation，Minneapolis，MN，1996.)。該單輪行走機器人是用陀螺儀保持其行走中的穩(wěn)定性，其行走機構共使用了4個驅動電機。陀螺儀的應用使該機器人在高速和低速行走時都很穩(wěn)定，但是，在靜止時卻無法保持穩(wěn)定。一旦陀螺停止轉動，其就會傾倒，而且沒有外人的協(xié)助，就無法重新開始運動。另外，該單輪行走機器人的轉彎半徑較大，也是一個缺點。
在日本，電子通訊大學的越山篤、山藤和男、吉凝裕三位教授研制出一個球形行走機器人，該機器人是采用兩層可轉動的陀螺框支架支撐單擺的行走執(zhí)行機構(參見《Development and motion control of the all directionsteering-type robot the 3rd reportprinciple control method and experiment ofsteering of the robot》Proceedings of 10th Japanese Robotics Conference，1992，in Japanese)。該機器人是在大球外面伸出兩個小的被動輪作為其行走穩(wěn)定機構，以實現(xiàn)全方位穩(wěn)定的行走。但是，其結構復雜，因為其與地面有三個支撐點，適應不平地面的性能較差。
美國噴氣推進實驗室(JPL)的Sukhan Lee提出一種用內部四個活塞來驅動球體重心，實現(xiàn)重心的三維移動，從而使球形機器人行走的方案。這種將活塞運動變成重心三維運動的機構設有多個動力驅動器，其結構更加復雜。
申請人在2001年5月申請的發(fā)明專利《球形機器人的全方位行走機構》(申請?zhí)?1118289.X)，是由球形殼體和位于該殼體內的行走機構所組成。該球形機器人的全方位行走機構的基本工作原理是采用圓錐齒輪付和圓柱齒輪付構成的齒輪傳動系，通過兼作配重的電機的電力驅動，不斷調節(jié)其重心位置，使其重心永遠位于球心前方或后方的一段距離，從而產生向前或向后的驅動力，使該機器人不斷克服摩擦力而向前或向后滾動。采用同樣的方法，通過調節(jié)其重心位置向左右兩側方向偏斜，就可以產生轉彎力矩，從而實現(xiàn)球形機器人向任意方向—全方位的驅動行走；且其行走的速度調節(jié)范圍相當大，甚至還可以停止不動地進行操作、觀察等工作。理論上講，該裝置可以應用于未經開發(fā)的崎嶇不平的地面或沼澤、水面等不同情況，執(zhí)行運輸、操作、遠距離觀察或探測等任務。但是，該機構的結構比較復雜，自重較沉重；并在傳動鏈中使用了多個錐齒輪，使得其加工工藝復雜、成本高，且對裝配的垂直精度要求高，限制了該發(fā)明專利申請的推廣應用。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種改進結構的球形機器人的全方位行走裝置，該裝置不僅可以克服上述國內外現(xiàn)有幾種機器人的各種缺陷，更能避免申請人《球形機器人的全方位行走機構》的驅動機構復雜、加工裝配技術要求高、成本昂貴等缺陷；具有結構簡單，自重輕，承載能力大，運動速度高，傳動效率高，制造和裝配比較容易和成本低等特點，有利于推廣應用。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種改進結構的球形機器人的全方位行走裝置，包括球殼和位于球殼內的行走傳動機構，該行走傳動機構包括有一個圓環(huán)，該圓環(huán)的直徑方向設有向其外側伸出的兩根支撐短軸，該兩根支撐短軸分別通過軸承承載在球殼內側的通過球殼球心軸線的兩個支撐座上；在球殼一側的一支撐座上固裝一個大齒輪；該圓環(huán)上安裝一個電機，該電機的電機軸伸向圓環(huán)外側，該電機軸上安裝有一個小齒輪，該小齒輪與支撐座上的大齒輪相嚙合而帶動其轉動；在圓環(huán)內側、與伸出兩根支撐短軸相垂直的方向上設有兩個相對安裝的底座，一個內接長軸通過軸承承載在該兩個底座上；該內接長軸的一側固裝一個大齒輪；該內接長軸的中間固設一個與該內接長軸相垂直的短軸鉸鏈，在該短軸鉸鏈的端部固設有一個兼作配重的電機，該電機軸上的小齒輪與所述的內接長軸一側固裝的大齒輪相嚙合而帶動其轉動；其特征在于所述圓環(huán)上，在與電機安裝位置重心相對的地方固設有一個配重塊；該配重塊是電池。
所述的電機是伺服電機或力矩電機。
所述的兩個支撐座固裝在球殼上，所述的兩個相對安裝的底座固裝在圓環(huán)上。
本發(fā)明是改進結構的球形機器人的全方位行走裝置，具有如下優(yōu)點和用途1、該球形機器人行走裝置的傳動鏈結構簡單、環(huán)節(jié)少，摒棄原來的錐齒輪而采用普通圓柱齒輪傳動，甚至通過減速電機和聯(lián)軸節(jié)直接驅動圓環(huán)作左右、前后轉動，加工容易，安裝方便，工作可靠，經久耐用；本體重量輕，承載能力強，能夠在較大范圍內完成遠距離觀察、操作、實施營救或運輸物資等多項任務。
2、該球形機器人行走裝置的配重塊只有一個，位于球殼的正下方，從而使得該球形機器人能夠很方便地靜止穩(wěn)定在任意位置上，便于其停車伸出折疊手臂進行其他各項操作，例如排雷等。
3、該球形機器人與地面是點接觸，屬于純滾動摩擦，阻力小，驅動和轉向靈活方便，能夠比較簡便地穿過口徑略大于其直徑的曲折通道。當該球形機器人的直徑足夠大時，可以作為游人的運載工具在柔軟的土壤、沙子、雪地上或冰面上旅游，開拓其應用場合。
4、本發(fā)明行走裝置具有全方位驅動行走功能，道路的適應性較強，再配合在其內設置的傳感器和地圖信息閱讀器，可以完成長距離運輸物資的任務。有可能成為今后機器人在坎坷不平的地面上行走的又一理想運輸工具，具有一定的市場競爭力。


圖1是本發(fā)明球形機器人行走裝置的第一種實施例結構組成示意圖。
圖2是本發(fā)明球形機器人行走裝置的第二種實施例結構組成示意圖。
圖3是本發(fā)明球形機器人行走裝置的第三種實施例結構組成示意圖。
具體實施例方式
參見圖1，本發(fā)明是一種改進的球形機器人的全方位行走裝置，包括球殼1和位于球殼內的行走傳動機構，該行走傳動機構包括有一個圓環(huán)2，該圓環(huán)2的直徑方向設有向其外側伸出的兩根支撐短軸3，該兩根支撐短軸3分別通過軸承4承載在球殼1內側的通過球殼球心軸線的兩個支撐座5上；這兩個支撐座5通過螺栓6固裝在球殼1上。在球殼1一側的一支撐座5上固裝一個大齒輪21；該圓環(huán)2上安裝有兩個電機7、8，該兩個電機7、8是減速電機或力矩電機。在圓環(huán)2上與兩個電機7、8安裝位置重心相對的地方還固設有兩個配重塊17、18，這兩個配重塊17、18是蓄電池。其中一個電機7的電機軸伸向圓環(huán)2外側，該電機7軸上安裝一個小齒輪9，該小齒輪9與支撐座5上的大齒輪21相嚙合而帶動其轉動；在圓環(huán)2內側、與伸出兩根支撐短軸3相垂直的方向上設有兩個相對安裝的底座11，一個內接長軸12通過軸承承載在該兩個底座11上，兩個相對安裝的底座11通過螺栓10固裝在圓環(huán)2上。該內接長軸12的一端側固裝一個大齒輪13；安裝在圓環(huán)上的另一電機8的電機軸伸向圓環(huán)內側，該電機8軸上的小齒輪14與所述的內接長軸12一端側固裝的大齒輪13相嚙合而帶動其轉動；該內接長軸12的中間固設有一個與該內接長軸12相垂直的短軸15，在該短軸15的端部固設有一個配重塊16，該配重塊始終位于球殼的正下方。
在該實施例結構中，如果電機8不啟動，電機7順時針轉動，帶動其軸上的小齒輪9也順時針轉動，同時帶動與小齒輪9相嚙合的大齒輪21逆時針轉動，球形機器人就向前滾動；而如果電機7逆時針轉動，帶動小齒輪9也逆時針轉動，同時帶動與其相嚙合的大齒輪21順時針轉動，球形機器人就向后滾動；如果電機7不啟動，電機8順時針轉動，帶動其軸上的小齒輪14也順時針轉動，同時帶動與小齒輪14相嚙合的大齒輪13逆時針轉動，球形機器人就向左滾動；而如果電機8逆時針轉動，帶動小齒輪14也逆時針轉動，同時帶動與小齒輪14相嚙合的大齒輪13順時針轉動，球形機器人就向右滾動。如果電機7、8同時轉動，則該球形機器人就可做全方位運動。
參見圖2所示的本發(fā)明另一種實施例結構圖。本發(fā)明是一種改進的球形機器人的全方位行走裝置，包括球殼1和位于球殼內的行走傳動機構，該行走傳動機構包括有一個圓環(huán)2，該圓環(huán)2的直徑方向設有向其外側伸出的兩根支撐短軸3，該兩根支撐短軸3分別通過軸承4承載在球殼1內側的通過球殼球心軸線的兩個支撐座5上；這兩個支撐座5通過螺栓6固裝在球殼1上。在球殼1一側的一支撐座5上固裝一個大齒輪21；該圓環(huán)2上安裝有一個電機7，在圓環(huán)2上與電機7相對的地方設置有配重塊20，該配重塊20是蓄電池。該電機7的電機軸伸向圓環(huán)2外側，該電機17軸上安裝一個小齒輪9，該小齒輪9與支撐座5上的大齒輪21相嚙合而帶動其轉動。在圓環(huán)2內側、與伸出兩根支撐短軸3相垂直的方向上設有兩個相對安裝的底座11，一個內接長軸12通過軸承承載在該兩個底座11上，兩個相對安裝的底座11通過螺栓10固裝在圓環(huán)2上。該內接長軸12的一端側固裝一個大齒輪13，該內接長軸12的中間固設一個與該內接長軸12相垂直的短軸鉸鏈19，在該短軸鉸鏈19上固設一個與該內接長軸12相垂直的短軸，短軸的端部固設有一個兼作配重的電機8，該電機8的電機軸伸向圓環(huán)2內側，電機8軸上的小齒輪14與內接長軸12一端側固裝的大齒輪13相嚙合而帶動其轉動。這個兼作配重的電機8同樣始終位于球殼的正下方。另外，上述兩個電機7、8是減速電機或力矩電機。這樣，就形成了另一種結構的球型機器人行走裝置。
在該實施例結構中，如果電機8不啟動，電機7順時針轉動，帶動其軸上的小齒輪9也順時針轉動，同時帶動與小齒輪9相嚙合的大齒輪21逆時針轉動，球形機器人就向前滾動；而如果電機7逆時針轉動，帶動小齒輪9也逆時針轉動，同時帶動與其相嚙合的大齒輪21順時針轉動，球形機器人就向后滾動；如果電機7不啟動，電機8順時針轉動，帶動其軸上的小齒輪14也順時針轉動，同時帶動與小齒輪14相嚙合的大齒輪13逆時針轉動，球形機器人就向左滾動；而如果電機8逆時針轉動，帶動小齒輪14也逆時針轉動，同時帶動與小齒輪14相嚙合的大齒輪13順時針轉動，球形機器人就向右滾動。如果電機7、8同時轉動，則該球形機器人就可做全方位運動。
參見圖3所示的本發(fā)明又一種實施例結構圖。本發(fā)明是一種改進的球形機器人的全方位行走裝置，包括球殼1和位于球殼內的行走傳動機構，該行走傳動機構包括有一個圓環(huán)2，該圓環(huán)的直徑方向設有向其外側伸出的兩根支撐短軸3，其中一根支撐短軸3通過軸承4承載在球殼1內側的通過球殼球心軸線的一個支撐座5上；而在球殼1另一側的另一支撐座5’上固裝一個減速電機27，這兩個支撐座5、5’分別通過螺栓6固裝在球殼1上。該減速電機27的電機軸通過聯(lián)軸節(jié)25與圓環(huán)2的另一根支撐短軸3相連接，藉此帶動該支撐短軸3和圓環(huán)2一起轉動。在圓環(huán)2內側、與伸出兩根支撐短軸3相垂直的方向上設有一個底座11，一個內接長軸12通過軸承4’承載在該底座11上，該底座11通過螺栓10固裝在圓環(huán)2上。在該內接長軸12的延長端與圓環(huán)2相交處安裝有一個減速電機28，該減速電機28的電機軸伸向圓環(huán)2內側，并通過聯(lián)軸節(jié)26與該內接長軸12相連接，藉此帶動內接長軸12轉動。該內接長軸12的中間固設一個與其垂直的短軸15，在該短軸15的端部固設有一個配重塊16，該配重塊16始終位于球殼的正下方。在圓環(huán)2上與減速電機28安裝位置重心相對的地方還固設有兩個配重塊17、18，該兩個配重塊17、18是蓄電池。這樣，就形成了又一種結構的球型機器人行走裝置。
在該實施例結構中，如果電機28不啟動，電機27順時針轉動，通過聯(lián)軸節(jié)帶動支撐短軸3和圓環(huán)2也順時針轉動，球形機器人就向前滾動；而如果電機27逆時針轉動，電機28仍不啟動，則帶動支撐短軸3和圓環(huán)2也逆時針轉動，球形機器人就向后滾動。如果電機27不啟動，電機28順時針轉動，通過聯(lián)軸節(jié)帶動內接長軸12也順時針轉動，球形機器人就向右滾動；而如果電機27不啟動，而電機28逆時針轉動，通過聯(lián)軸節(jié)帶動內接長軸12也逆時針轉動，球形機器人就向左滾動。如果電機27、28同時轉動，則該球形機器人就可做全方位運動。
權利要求
1.一種改進結構的球形機器人的全方位行走裝置，包括球殼和位于球殼內的行走傳動機構，該行走傳動機構包括有一個圓環(huán)，該圓環(huán)的直徑方向設有向其外側伸出的兩根支撐短軸，該兩根支撐短軸分別通過軸承承載在球殼內側的通過球殼球心軸線的兩個支撐座上；在球殼一側的一支撐座上固裝一個大齒輪；該圓環(huán)上安裝一個電機，該電機的電機軸伸向圓環(huán)外側，該電機軸上安裝有一個小齒輪，該小齒輪與支撐座上的大齒輪相嚙合而帶動其轉動；在圓環(huán)內側、與伸出兩根支撐短軸相垂直的方向上設有兩個相對安裝的底座，一個內接長軸通過軸承承載在該兩個底座上；該內接長軸的一側固裝一個大齒輪；該內接長軸的中間固設一個與該內接長軸相垂直的短軸鉸鏈，在該短軸鉸鏈的端部固設有一個兼作配重的電機，該電機軸上的小齒輪與所述的內接長軸一側固裝的大齒輪相嚙合而帶動其轉動；其特征在于所述圓環(huán)上，在與電機安裝位置重心相對的地方固設有一個配重塊，該配重塊是蓄電池。
2.根據權利要求1所述的改進結構的球形機器人的全方位行走裝置，其特征在于所述的電機是伺服電機或力矩電機。
3.根據權利要求1所述的改進結構的球形機器人的全方位行走裝置，其特征在于所述的兩個支撐座固裝在球殼上，所述的兩個相對安裝的底座固裝在圓環(huán)上。
全文摘要
一種改進結構的球形機器人的全方位行走裝置，包括球殼和行走傳動機構，行走傳動機構包括有一個在直徑方向設有向其外側伸出兩根支撐短軸的圓環(huán)，兩根支撐短軸通過軸承承載在球殼內側通過球殼球心軸線的兩個支撐座上，其中一支撐座上固裝一個大齒輪；圓環(huán)上裝有一個電機軸伸向圓環(huán)外側的電機，該電機軸上裝有一個與大齒輪互相嚙合而帶動其前后轉動的小齒輪；在圓環(huán)內側、通過軸承承載在兩個底座上的內接長軸的一側和中間分別固裝一個大齒輪和一個與該內接長軸相垂直的短軸鉸鏈，短軸鉸鏈的端部固設一個兼作配重的電機，該電機軸上的小齒輪與內接長軸上的大齒輪互相嚙合而帶動其左右轉動；圓環(huán)上與電機安裝位置重心相對的地方固設有蓄電池配重塊。
文檔編號B25J9/08GK1616258SQ200410096568
公開日2005年5月18日 申請日期2002年8月22日 優(yōu)先權日2002年8月22日
發(fā)明者孫漢旭, 廖啟征, 徐揚生 申請人:北京郵電大學