專利名稱：具有穩(wěn)定平臺的全向滾動球形機(jī)器人裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，涉及非電變量的控制或調(diào)節(jié)系統(tǒng)中有關(guān)陸地、水上運載工具的二維行走的控制裝置，具體地說是一種具有穩(wěn)定平臺的全向滾動球形機(jī)器人裝置，可用于探測、運輸、偵查、娛樂、軍事等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
球形機(jī)器人是一種新型的機(jī)器人，造型新穎別致，控制簡單，行動靈活，幾乎沒有死角，可以輕易地實現(xiàn)零角度轉(zhuǎn)彎，無論在工業(yè)上，還是在民用和軍事上都將具有廣泛的應(yīng)用前景。因此，倍受世界各國科技人員關(guān)注，是目前智能機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點問題之一，不少國家都進(jìn)行了大量的研究和實驗。
在國外，第一臺真正的球形機(jī)器人是1996年由Halme等芬蘭人研制的，該機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)特點是設(shè)計了一個驅(qū)動輪，該驅(qū)動輪由電機(jī)驅(qū)動在球殼內(nèi)滾動，通過改變系統(tǒng)的重心來實現(xiàn)球體的滾動。參見文獻(xiàn)Motion Control of ASpherical Mobile Robot》，Proceedings of AMC’96-MIE，1996。1997年Bicchi等意大利人設(shè)計的機(jī)器人將驅(qū)動輪換成了小車，參見文獻(xiàn)《Introducing theSphericlean Experimental Test bed for Research and Teaching in Non-holono-my》，Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation，1997。1998年Ferriere等比利時人又將機(jī)器人的驅(qū)動裝置改成了一種萬向輪，參見文獻(xiàn)《RollMOBS，a New Universal Wheel Concept》，Proceed-ings of the 1998 IEEE International Conference on Robotics and Automation，v.3，pp 1877-1882，1998。這三種設(shè)計均實現(xiàn)了球體的運動，但由于驅(qū)動裝置固有的局限性，它們都無法實現(xiàn)球形機(jī)器人的全向滾動。為了解決球形機(jī)器人的全向滾動問題，2000年Bhattacharya等美國人設(shè)計了一種在球殼內(nèi)部過球心的平面上，相互垂直的方向上安裝兩個電機(jī)，每個電機(jī)的定子和球殼固聯(lián)，電機(jī)軸上分別安裝一個圓盤，電機(jī)驅(qū)動圓盤轉(zhuǎn)動，進(jìn)而驅(qū)動球體在平面上全向滾動(參見《Design，Experiments and Motion Planning of aSpherical Rolling Robot》，Proceedings of the 2000 IEEE InternationalConference on Robotics & Automation San Francisco，CA.April 2000)。2002年Javadi等伊朗人在球殼內(nèi)與球殼固聯(lián)了四根成正四面體空間均布的輪幅，每個輪幅上都有一套獨立的驅(qū)動系統(tǒng)由一臺步進(jìn)電機(jī)通過絲杠驅(qū)動一個配重塊沿輪幅方向來回移動，通過改變輪幅上的配重的位置來驅(qū)動球體全向運動(參見《Introducing AugustA Novel Strategy for An Omni directionalSpherical Rolling Robot》，Proceedings of the 2002 IEEE InternationalConference on Robotics&Automation San Washington，DC.MAY 2002)。
在國內(nèi)，相關(guān)的發(fā)明專利有《自主球形機(jī)器人》，申請?zhí)枮?9122494.9，該發(fā)明的行走驅(qū)動的基本原理是在球殼內(nèi)部，一臺直流伺服電機(jī)，通過傳動改變活動質(zhì)量塊的位置，產(chǎn)生重力矩驅(qū)動球體前、后滾動。另一臺直流伺服電機(jī)，通過調(diào)整滑塊的位置實現(xiàn)平衡和轉(zhuǎn)彎。在國內(nèi)相關(guān)的另一項發(fā)明專利是《改進(jìn)的球形機(jī)器人全方位行走裝置》，申請?zhí)枮?2128933.6，它的驅(qū)動的基本原理是在球殼內(nèi)有一個圓環(huán)，圓環(huán)上安裝有兩臺電機(jī)，其中一臺電機(jī)的電機(jī)軸上的小齒輪與支撐座上的大齒輪相嚙合而帶動其前后轉(zhuǎn)動，安裝在圓環(huán)上或通過短軸鉸鏈安裝在內(nèi)接長軸上的另一臺電機(jī)軸上的小齒輪，與內(nèi)接長軸上固裝的大齒輪相嚙合而帶動其左右轉(zhuǎn)動。
如上所述，近幾年來，雖然國內(nèi)外已有的球形機(jī)器人裝置，都分別采用不同的驅(qū)動方式，實現(xiàn)了球體的全向滾動。但是，在這些裝置中，都存在著在球體內(nèi)部沒有提供穩(wěn)定平臺的問題，致使球殼內(nèi)的所有部件都時刻隨著球體一起滾動，無法安裝儀器或設(shè)備，用來進(jìn)行不同的實驗、測試和監(jiān)測外部環(huán)境等。因此，這些球形機(jī)器人裝置很難或無法應(yīng)用到實際的工作和生活中，限制了它們的推廣應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的球形機(jī)器人裝置存在的問題，提供一種具有穩(wěn)定平臺的、可全向滾動的球形機(jī)器人裝置。該穩(wěn)定平臺在球體做全向滾動的過程中始終作平動運動，處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，以實現(xiàn)在平臺上安裝各種儀器或設(shè)備，進(jìn)行不同的實驗和測試。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的
在球形機(jī)器人裝置的外球殼內(nèi)設(shè)計安裝了一個與外球殼同心的內(nèi)球殼，在內(nèi)、外球殼之間安裝了行走傳動機(jī)構(gòu)和平臺穩(wěn)定機(jī)構(gòu)，在內(nèi)球殼中安裝了穩(wěn)定平臺。平臺穩(wěn)定機(jī)構(gòu)使得球形機(jī)器人裝置在做全向滾動的過程中，始終保持穩(wěn)定平臺平動運動，處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，從而實現(xiàn)了一種具有穩(wěn)定平臺的、可全向滾動的球形機(jī)器人裝置的目的。整個裝置包括外球殼、配重體、圓盤、轉(zhuǎn)盤、電機(jī)、內(nèi)球殼、穩(wěn)定平臺、滾珠和平臺穩(wěn)定機(jī)構(gòu)。兩個電機(jī)位于過球心的平面，相互垂直安裝在外球殼的內(nèi)側(cè)面，兩個轉(zhuǎn)盤分別安裝在兩個電機(jī)的軸上，構(gòu)成裝置的行走傳動機(jī)構(gòu)。兩個配重體采用蓄電池，分別與兩個電機(jī)對稱安裝，固定在外球殼上，使球體平衡并給電機(jī)供電。兩個圓盤分別固定在兩個配重體上。在外球殼內(nèi)同心安裝內(nèi)球殼，在內(nèi)球殼中安裝有穩(wěn)定平臺，在穩(wěn)定平臺的外球面和內(nèi)球殼之間安裝有滾珠，構(gòu)成球面滾動接觸。在內(nèi)、外球殼之間還安裝有平臺穩(wěn)定機(jī)構(gòu)，通過平臺穩(wěn)定機(jī)構(gòu)使得球形機(jī)器人裝置在做全向滾動的過程中，始終保持穩(wěn)定平臺的平動運動。
平臺穩(wěn)定機(jī)構(gòu)由滾珠軸承和短軸構(gòu)成，短軸采用一端為圓柱體，另一端為球面體的一體形狀。
滾珠軸承的外圈與配重體上的圓盤及電機(jī)上的轉(zhuǎn)盤過盈聯(lián)接，滾珠軸承的內(nèi)圈與短軸的圓柱體端的外側(cè)面過盈聯(lián)接，短軸的球面體端的內(nèi)球面與內(nèi)球殼的外表面形成球面副接觸。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下的優(yōu)點1.該裝置第一次在球形機(jī)器人內(nèi)部提供了一個相對穩(wěn)定的儀器或設(shè)備搭載平臺，這個平臺在球體做全向滾動的過程中始終作平動運動，處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。在這個穩(wěn)定平臺上，人們可以安裝諸如攝像頭、各種用途的傳感器、執(zhí)行器等，對外部環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，自主規(guī)劃和控制球形機(jī)器人的運動。
2.通過控制兩個電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，就可實現(xiàn)該球形機(jī)器人的全向滾動，使機(jī)器人可到達(dá)任意位置。
3.本發(fā)明簡化了球形機(jī)器人的驅(qū)動裝置，結(jié)構(gòu)簡單，可根據(jù)不同用途制作成不同尺寸大小的機(jī)器人，可形成系列化；其制造和裝配簡單，成本低廉。
4.該球形機(jī)器人的重心始終位于球體形心的下方，從而使得該球形機(jī)器人能夠很方便地靜止穩(wěn)定在任意位置上。
由于本發(fā)明具有上述的優(yōu)點，因此具有廣泛的推廣應(yīng)用價值?？擅嫦蚣彝プ鳛殡娮庸芗襾韺?shù)字家電進(jìn)行控制，也可以作為電子寵物供人們娛樂；在工業(yè)應(yīng)用上，可作為探索的儀器搭載平臺用來對管道、溝渠等特殊環(huán)境的探索；對企事業(yè)單位可用作下班后的保安和巡邏工作；在軍事應(yīng)用上，可用它搭載偵察裝置進(jìn)行偵查，若搭載武器，可完成特殊的戰(zhàn)斗任務(wù)；在交通運輸方面，可作為一種特殊的運載工具，能在柔軟的土壤、沙地、雪地或冰面上運行。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)組成示意2a是本發(fā)明單機(jī)轉(zhuǎn)動仿真軌跡曲線2b是本發(fā)明雙機(jī)等速轉(zhuǎn)動仿真軌跡曲線2c是本發(fā)明雙機(jī)異速轉(zhuǎn)動仿真軌跡曲線3a是本發(fā)明的虛擬樣機(jī)運動仿真結(jié)果中內(nèi)球殼沿X坐標(biāo)軸的角速度曲線3b是本發(fā)明的虛擬樣機(jī)運動仿真結(jié)果中內(nèi)球殼沿Y坐標(biāo)軸的角速度曲線3c是本發(fā)明的虛擬樣機(jī)運動仿真結(jié)果中內(nèi)球殼沿Z坐標(biāo)軸的角速度曲線圖具體實施方式
參照圖1，它是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)組成示意圖，包括外球殼1、內(nèi)球殼11、螺釘5、配重體14和18、圓盤13和17、穩(wěn)定平臺12和位于內(nèi)、外球殼之間的行走傳動機(jī)構(gòu)和平臺穩(wěn)定機(jī)構(gòu)。行走傳動機(jī)構(gòu)包括電機(jī)2和電機(jī)10、轉(zhuǎn)盤7和轉(zhuǎn)盤9，電機(jī)采用伺服電機(jī)或力矩電機(jī)，兩個電機(jī)位于過球心的平面上，相互垂直安裝在外球殼1的內(nèi)側(cè)，如圖所示，位于水平方向的電機(jī)10和位于豎直方向的電機(jī)2，電機(jī)的外殼用螺釘5與外球殼1聯(lián)接。轉(zhuǎn)盤7和轉(zhuǎn)盤9通過緊定螺釘或銷3分別固定在兩個電機(jī)的軸上。在和兩個電機(jī)關(guān)于球心對稱的位置上分別安裝配重體14和18，并用螺釘5將其固聯(lián)在外球殼1上，該配重體采用蓄電池，并給電機(jī)供電。在兩個配重體上用螺釘15分別安裝固定圓盤13和圓盤17。外球殼1和內(nèi)球殼11同心安裝，在內(nèi)球殼11中安裝穩(wěn)定平臺12，穩(wěn)定平臺可制作成半球形或球臺形，在穩(wěn)定平臺的外球表面與內(nèi)球殼之間安裝滾珠16，使之形成球面滾動接觸，穩(wěn)定平臺的平面上可安裝各種儀器或設(shè)備。平臺穩(wěn)定機(jī)構(gòu)由滾珠軸承4和短軸8構(gòu)成，短軸8采用一端為圓柱體，另一端為球面體的一體形狀。滾珠軸承4的外圈與圓盤和轉(zhuǎn)盤之間過盈聯(lián)接，滾珠軸承4的內(nèi)圈與短軸8的圓柱體端的外側(cè)面之間過盈聯(lián)接，滾珠軸承用孔用擋圈6定位。短軸8的球面體端的內(nèi)球面與內(nèi)球殼的外表面形成球面副接觸。
本發(fā)明的具體實施過程為，如果電機(jī)2不啟動，從電機(jī)軸端觀察，電機(jī)10順時針轉(zhuǎn)動，帶動其軸上的轉(zhuǎn)盤9也順時針轉(zhuǎn)動，電機(jī)10的外殼和外球殼1逆時針轉(zhuǎn)動，球形機(jī)器人向前滾動，內(nèi)球殼11不轉(zhuǎn)動，內(nèi)球殼11和穩(wěn)定平臺12隨球形機(jī)器人向前平動，相對于球心保持靜止?fàn)顟B(tài)；如果電機(jī)10逆時針轉(zhuǎn)動，帶動其軸上的轉(zhuǎn)盤9也逆時針轉(zhuǎn)動，電機(jī)10的外殼和外球殼1順時針轉(zhuǎn)動，球形機(jī)器人向后滾動，內(nèi)球殼11不轉(zhuǎn)動，內(nèi)球殼11和穩(wěn)定平臺12隨球形機(jī)器人向后平動，相對于球心保持靜止?fàn)顟B(tài)；如果電機(jī)10不啟動，電機(jī)2順時針轉(zhuǎn)動，帶動其軸上的轉(zhuǎn)盤7也順時針轉(zhuǎn)動，電機(jī)2的外殼和外球殼1逆時針轉(zhuǎn)動，球形機(jī)器人向左滾動，內(nèi)球殼11不轉(zhuǎn)動，內(nèi)球殼11和穩(wěn)定平臺12隨球形機(jī)器人向左平動，相對于球心保持靜止?fàn)顟B(tài)；如果電機(jī)2逆時針轉(zhuǎn)動，帶動其軸上的轉(zhuǎn)盤7也逆時針轉(zhuǎn)動，電機(jī)2的外殼和外球殼1順時針轉(zhuǎn)動，球形機(jī)器人向右滾動，內(nèi)球殼11不轉(zhuǎn)動，內(nèi)球殼11和穩(wěn)定平臺12隨球形機(jī)器人向右平動，相對于球心保持靜止?fàn)顟B(tài)。如果電機(jī)2和電機(jī)10同時轉(zhuǎn)動，通過控制電機(jī)2和電機(jī)10的轉(zhuǎn)速，電機(jī)2和電機(jī)10的外殼就同時帶動外球殼1轉(zhuǎn)動，該球形機(jī)器人就可做全向滾動。
本發(fā)明的效果可通過仿真結(jié)果證明如圖2所示，它是本發(fā)明裝置的三種典型的運動仿真軌跡曲線.。其中圖2a是一個電機(jī)靜止，另一個電機(jī)轉(zhuǎn)動，球形機(jī)器人沿直線滾動的軌跡；圖2b是兩個電機(jī)以相同的速度轉(zhuǎn)動，球形機(jī)器人沿圓形軌跡滾動；圖2c是兩個電機(jī)以不同速度轉(zhuǎn)動，球形機(jī)器人沿曲線軌跡滾動。
如圖3所示，它是本發(fā)明的虛擬樣機(jī)運動仿真結(jié)果中內(nèi)球殼沿三個慣性坐標(biāo)軸的角速度曲線。其中圖3a、3b和3c所示的內(nèi)球殼沿三個慣性坐標(biāo)軸x、y和z的角速度曲線表明，內(nèi)球殼沿三個慣性坐標(biāo)軸的角速度分量均為零，即內(nèi)球殼11不轉(zhuǎn)動，從而使穩(wěn)定平臺12相對于球心始終保持靜止?fàn)顟B(tài)，以保證安裝在平臺12上的儀器設(shè)備具有相對穩(wěn)定的姿態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種具有穩(wěn)定平臺的全向滾動球形機(jī)器人裝置，包括外球殼、配重體、圓盤、轉(zhuǎn)盤和電機(jī)，其特征在于，在外球殼(1)內(nèi)安裝有與其同心的內(nèi)球殼(11)，在內(nèi)球殼(11)中安裝了穩(wěn)定平臺(12)，在內(nèi)、外球殼之間安裝了平臺穩(wěn)定機(jī)構(gòu)，通過平臺穩(wěn)定機(jī)構(gòu)使球形機(jī)器人裝置在做全向滾動的過程中，始終保持穩(wěn)定平臺的平動運動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有穩(wěn)定平臺的全向滾動球形機(jī)器人裝置，其特征在于穩(wěn)定平臺(12)的外球面通過滾珠(16)與內(nèi)球殼(11)之間構(gòu)成球面滾動接觸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有穩(wěn)定平臺的全向滾動球形機(jī)器人裝置，其特征在于平臺穩(wěn)定機(jī)構(gòu)由滾珠軸承(4)和短軸(8)構(gòu)成，短軸(8)采用一端為圓柱體，另一端為球面體的一體形狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的具有穩(wěn)定平臺的全向滾動球形機(jī)器人裝置，其特征在于滾珠軸承(4)的外圈與配重體上的圓盤(13)和(17)及電機(jī)上的轉(zhuǎn)盤(7)和(9)過盈聯(lián)接，滾珠軸承(4)的內(nèi)圈與短軸(8)的圓柱體端的外側(cè)面過盈聯(lián)接，短軸(8)的球面體端的內(nèi)球面與內(nèi)球殼(11)的外表面形成球面副接觸。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有穩(wěn)定平臺的全向滾動球形機(jī)器人裝置，它屬于機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，涉及非電變量的控制或調(diào)節(jié)系統(tǒng)中有關(guān)陸地、水上運載工具的二維行走的控制裝置，主要解決目前已有的球形機(jī)器人裝置中，在球體內(nèi)沒有相對穩(wěn)定的平臺，安裝儀器或設(shè)備，用來進(jìn)行不同實驗和測試的問題。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)除包括外球殼、電機(jī)、轉(zhuǎn)盤、配重之外，還特別設(shè)計了包括內(nèi)球殼、穩(wěn)定平臺和位于內(nèi)、外球殼之間的平臺穩(wěn)定機(jī)構(gòu)。內(nèi)球殼與外球殼同心安裝，穩(wěn)定平臺安裝在內(nèi)球殼的內(nèi)部，平臺穩(wěn)定機(jī)構(gòu)由滾珠軸承和短軸構(gòu)成，通過平臺穩(wěn)定機(jī)構(gòu)使球體在作全向滾動的過程中，穩(wěn)定平臺始終保持穩(wěn)定平動運動的狀態(tài)。本發(fā)明可廣泛用于探測、運輸、偵查、娛樂、軍事等方面。
文檔編號B25J5/00GK1669745SQ20051004190
公開日2005年9月21日 申請日期2005年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月5日
發(fā)明者李團(tuán)結(jié), 朱超, 張學(xué)鋒 申請人:西安電子科技大學(xué)