專利名稱：球形機器人全方位運動簡化機構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種球形機器人全方位運動簡化機構，屬于機電一體化技術領 域?？捎糜诃h(huán)境探測、設備診斷、軍事偵查、外星探險、家庭娛樂等領域。
背景技術：
球形機器人是一種具有球形外殼、運動方式為滾動的智能機器人。它既具有 像輪式移動機器人的快速行走能力，又能像腿式機器人一樣，在不平整的復雜地 形中運動，并且運動連續(xù)性強，具有良好的方向可控性，是一種十分理想的運動 載體，因此逐漸成為國內(nèi)外智能機器人研究領域的熱點之一。
1996年由Halme等人提一種在球殼內(nèi)設置了一個驅(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)機器人直線運動的球形機器人方案(參見
《Motion Control of A Spherical Mobile robot》，Proceedings of AMC，96-MIE， 正EE， 1996:259-264)，其缺點是不能改變運動方向；2000年美國Bhattacharya等 人設計的一種球形機器人(參見《Design， Experiments and Motion Planning of a Spherical Rolling Robot》，Proceeding of the 2000 IEEE International Conference on Robotics&Automation San Francisco,CA.April 2000),在球殼內(nèi)部過球心的平面上 設置了一對相互垂直的電機，分別控制一個獨立的轉(zhuǎn)盤，通過改變電機的速度實 現(xiàn)球體的全向滾動。Roball是Francois Michaud等人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，但兩個電機必須分別克服球殼的轉(zhuǎn)動 慣量和重物的轉(zhuǎn)動慣量，因而對電機力矩等要求較高；同時，由于電機全部安裝 在主軸上，傳動機構相對復雜，在同等質(zhì)量下球體重心較高。
在國內(nèi)，專利號為99253709.6的實用新型《自主球形機器人》，通過一部直 流伺服電機傳動改變質(zhì)量塊的位置產(chǎn)生重力矩驅(qū)動球體向前滾動，通過另一部直 流伺服電機調(diào)整滑塊的位置實現(xiàn)平衡和轉(zhuǎn)彎。該方案存在飛輪，啟動耗能大，并 且重心較高，穩(wěn)定性不足。還有專利號為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。該方案結構較復雜、重心較高，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，但大都存在著結構復雜、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)動機構的狀態(tài)或姿態(tài)不確定，加大了控制難度；球體重心較高， 使得爬坡與越障能力不足；無外部固定接口或不能在球殼外搭載附件，造成充電
與維護困難，并限制各種環(huán)境探測傳感器或機械手的有效使用，降低了球形機器 人的實用性。上述問題在很大程度上限制了球形機器人的推廣應用。 發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種結構簡化、控制方便、穩(wěn)定性好、實用性強、具 有良好的抗振動和抗沖擊性能，且能全方位運動、可在球殼外搭載附件的球形機 器人結構方案，克服現(xiàn)有方案的不足。
本發(fā)明的技術解決方案是球形機器人全方位運動簡化機構，由球殼及其內(nèi) 部的行走驅(qū)動裝置組成。其中，行走驅(qū)動裝置包括處于豎直狀態(tài)的半圓架，其兩 端水平固連一對過球心的短軸，短軸經(jīng)軸承與球殼形成轉(zhuǎn)動幅；半圓架的下方固 連一個直線行走機構，該機構由行走電機、主輪和配重組成，主輪在行走電機的 驅(qū)動下沿球殼內(nèi)側(cè)滾動，使球體重心前后移動從而推動球體直線運動；半圓架的 上方有轉(zhuǎn)向控制機構，該機構由水平桿和位于其上的質(zhì)量小車組成，質(zhì)量小車在 其內(nèi)部電機的驅(qū)動下沿水平桿左右運動，使球體重心左右偏移，引起球體左右傾
轉(zhuǎn)從而實現(xiàn)球形機器人的轉(zhuǎn)向控制。 該方案的優(yōu)點是-
1) 結構簡單，成本較低，易于實現(xiàn)；
2) 重心始終處于球體的下方，系統(tǒng)穩(wěn)定性好、響應速度快，可實現(xiàn)爬坡、 坡面上定點靜止等特殊運動模式；
3) 兩個電機分別控制球體的直線運動和轉(zhuǎn)向運動，控制方式解耦，實現(xiàn)了 球形機器人全方位運動和小半徑轉(zhuǎn)向；同時，主輪與小車驅(qū)動方式對電機扭矩等 特性的要求降低，易于電機選型；
4) 直線行走機構和質(zhì)量小車內(nèi)部分別設有調(diào)節(jié)主輪與球殼、質(zhì)量小車與水 平桿接觸力的壓力調(diào)節(jié)器，可有效改善球形機器人的運動抗振性；
5) 質(zhì)量小車或直線電機的運動范圍限于半圓架，因而所有電氣部件之間的 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；
6) 空心短軸伸出球殼時可搭載附件(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；
7) 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。


圖l是本發(fā)明的一個實施例l的整體結構前視示意圖。 圖2為實施例1的整體結構俯視示意圖。
圖中標記名稱1、球殼，2、基座，3、短軸，4、軸承，5、半圓架，6、行 走電機，7、主輪，8、配重，9、附件，10、水平桿，11、質(zhì)量小車。
具體實施方式

如圖l、圖2所示，本發(fā)明的實施例l是球形機器人全方位運動簡化機構， 由球殼l及其內(nèi)部的行走驅(qū)動裝置組成。其中行走驅(qū)動裝置包括處于豎直狀態(tài)的 半圓架5，其兩端水平固連一對過球心的短軸3，短軸3經(jīng)軸承4與球殼1形成轉(zhuǎn)動 幅；所述半圓架5的下方固連一個直線行走機構，該機構由行走電機6、主輪7和
配重8組成，主輪7在行走電機6的驅(qū)動下沿球殼1內(nèi)側(cè)滾動，使球體重心前后移動 從而推動球體直線運動；所述半圓架5的上方有轉(zhuǎn)向控制機構，該機構由水平桿 10和位于其上的質(zhì)量小車11組成，質(zhì)量小車11在其內(nèi)部電機的驅(qū)動下沿水平桿10 左右運動，使球體重心左右偏移，從而實現(xiàn)球形機器人的轉(zhuǎn)向控制。
在該實施例中，主輪7與球殼1之間、質(zhì)量小車11與水平桿10之間分別呈 輪式接觸或齒式嚙合。為防止脫落，質(zhì)量小車11與水平桿10之間構成包裹式等 防脫落約束，并且質(zhì)量小車11內(nèi)部設有壓力調(diào)節(jié)器，以保證質(zhì)量小車11在水平 桿10上運動時具有合適的接觸力。
如圖l、圖2所示，本發(fā)明的實施例2是直線行走機構同實施例l，但轉(zhuǎn) 向控制機構中的水平桿10為絲桿，質(zhì)量小車11為直線電機。
在本發(fā)明的所有實施例中，配重8可以是電池、電路板等。
此外，直線行走機構內(nèi)部設有壓力調(diào)節(jié)器，以保證主輪7在球殼1內(nèi)滾動時 具有合適的接觸力。
此外，兩根短軸3可為空心并伸出球殼，以固連或懸掛的方式搭載附件9(用 于裝載攝像頭、傳感器、機械手、天線、電池、配重及擴展接口等)。
此外，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。
權利要求1、一種球形機器人全方位運動簡化機構，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)動裝置包括處于豎直狀態(tài)的半圓架(5)，其兩端水平固連一對過球心的短軸(3)，短軸(3)經(jīng)軸承(4)與球殼(1)形成轉(zhuǎn)動幅；所述半圓架(5)的下方固連一個直線行走機構，該機構由行走電機(6)、主輪(7)和配重(8)組成，主輪(7)在行走電機(6)的驅(qū)動下沿球殼(1)內(nèi)側(cè)滾動，使球體重心前后移動從而推動球體直線運動；所述半圓架(5)的上方有轉(zhuǎn)向控制機構，該機構由水平桿(10)和位于其上的質(zhì)量小車(11)組成，質(zhì)量小車(11)在其內(nèi)部電機的驅(qū)動下沿水平桿(10)左右運動，使球體重心左右偏移，引起球體左右傾轉(zhuǎn)從而實現(xiàn)球形機器人的轉(zhuǎn)向控制。
2、 根據(jù)權利要求l所述的球形機器人全方位運動簡化機構，其特征在于 所述直線行走機構含有調(diào)節(jié)主輪(7)與球殼(1)接觸力的壓力調(diào)節(jié)器。
3、 根據(jù)權利要求l所述的球形機器人全方位運動簡化機構，其特征在于-所述質(zhì)量小車(11)與水平桿(10)之間構成防脫落約束；
4、 根據(jù)權利要求l或3所述的球形機器人全方位運動簡化機構，其特征在 于所述質(zhì)量小車(11)含有調(diào)節(jié)其與水平桿(10)接觸力的壓力調(diào)節(jié)器。
5、 根據(jù)權利要求l所述的球形機器人全方位運動簡化機構，其特征在于所述水平桿(10)為絲桿，所述質(zhì)量小車(11)為直線電機。
6、 根據(jù)權利要求l所述的球形機器人全方位運動簡化機構，其特征在于所述短軸(3)為空心并伸出球殼(1)以搭載附件(9)。
7、 根據(jù)權利要求l所述的球形機器人全方位運動簡化機構，其特征在于所述球殼(1)外部包裹輕質(zhì)的沖氣密封材料或減振材料。
專利摘要本球形機器人全方位運動簡化機構，涉及球形機器人技術領域。其行走驅(qū)動裝置包括處于豎直狀態(tài)的半圓架(5)，其兩端水平固連一對過球心的短軸(3)，短軸經(jīng)軸承與球殼形成轉(zhuǎn)動幅；半圓架的下方固連一個直線行走機構，該機構由行走電機(6)、主輪(7)、配重(8)組成，主輪在行走電機的驅(qū)動下沿球殼內(nèi)側(cè)滾動，推動球體直線運動；半圓架的上方有轉(zhuǎn)向控制機構，該機構由水平桿(10)和位于水平桿上的質(zhì)量小車(11)組成，質(zhì)量小車在其內(nèi)部電機的驅(qū)動下沿水平桿左右運動，使球體重心左右偏移，從而實現(xiàn)球形機器人的轉(zhuǎn)向控制。本實用新型結構簡單，控制方便，運動靈活，穩(wěn)定性好，具有全方位運動和搭載附件的能力。
文檔編號B25J5/00GK201189913SQ20082003272
公開日2009年2月4日 申請日期2008年2月28日 優(yōu)先權日2008年2月28日
發(fā)明者濤 吳, 吳惠祥, 斌 姜, 忠 楊, 樊瓊劍, 董榮俊 申請人:南京航空航天大學