專利名稱：一種可運用于探測的球形機器人的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種球形機器人，具體的說，是一種可運用于探測的球形機器人。該機器人，既可以作為一種特殊的運載工具，偵查工具，又可用于在特定場合完成一些特定任務，屬于機器人技術領域。
背景技術：
隨著科學技術的發(fā)展，移動機器人在太空探索、軍事、工業(yè)、消防、反恐等領域中的應用越來越廣泛。移動機器人從移動方式上看，可分為輪式、履帶式、腿式(單腿式、雙腿式和多腿式)以及仿生爬行機器人等。輪式機器人和履帶式機器人具有較為簡單的行走結構和控制方式，但在惡劣的環(huán)境中易于受到翻仰、振動和沖擊的影響，喪失工作能力；腿式或仿生爬行機器人對于復雜環(huán)境有較強的適應能力，但存在自由度多、控制復雜、運動緩慢的缺點。球形機器人是一種具有全封閉球形外殼的移動機器人。它與地面的接觸方式為點接觸，移動和轉向靈活方便。相較于傳統(tǒng)的移動機器人，球形機器人不存在翻倒問題，適應環(huán)境能力強；球形機器人能夠進行全方位行走，運動速度快，具有零轉彎半徑，運動靈活； 球形機器人整體包裹在封閉殼體中，能夠有效的保護其內部設備，發(fā)生碰撞時恢復能力強； 球形機器人運動效率高，能量損耗小。因此，球形機器人在工業(yè)、民用、軍事以及太空探索等領域都具有廣泛的應用前景。近年來，國內外許多專家學者相繼開展了球形機器人的研究，已研制出若干種不同結構類型的球形機器人，在一定程度上推動了球形機器人的發(fā)展。球形機器人的研究已經(jīng)開展了十幾年，從芬蘭赫爾辛基科技大學的海爾姆教授 1996年研制的第一個具有圓球外殼的球形機器人起，國內外的許多學者相繼提出了許多不同的球形機器人結構。芬蘭赫爾辛基科技大學的海爾姆(Halme)等人于1996年制作了第一個球形機器人。球內設計了一套單輪機構(IDU)驅動球體運動，利用單輪的滾動改變配重重心位置，產生驅動力矩，從而驅使球形機器人向前滾動。意大利比薩大學的卡米希亞(Camicia)等人于1997年研制了一種球形車。該球形車由一中空的球體和一輛小車所構成。小車緊貼內球殼底面運動。小車自主運動，控制邏輯部分來自控制板，通過無線連接由基站控制。小車作為內驅動裝置，使用兩個電機驅動作為動力。巴塔查亞(Bhattacharya)等人于2000年設計了一種驅動機械裝置。該機械裝置為一組兩個相互垂直的轉子，這兩個轉子固定在球體的內部。還有一種球形機器人由兩個半球組成，并可以分別獨立控制。電機驅動安裝在球形機器人的底部，通過調節(jié)電機的轉速來改變機器人的運動速度。當機器人轉彎時，將一個電機的速度減小即可實現(xiàn)。兩個半球體之間的空隙可以用來安裝多種傳感器，但是這種結構失去了傳統(tǒng)球形機器人的封閉特性。
2005年，瑞典烏普薩拉大學的布魯恩(Bruhn)等人研制出了一種用于星球探測的球形機器人SMIPS。該機器人由一根長軸和一個配重塊組成。它有兩個驅動電機一個電機驅動長軸轉動，另一個電機驅動配重塊在與長軸的同一平面上擺動。這兩種運動的合成實現(xiàn)了球形機器人的全方位運動。2003年，美國國家航天航空管理局(NASA)創(chuàng)造性的提出了一種名為WindSpheres 的球形機器人。Wind Spheres機器人是為火星探測設計的一款機器人，其設計思想來源于蒲公英。由于火星上具有相當強的氣流運動，該機器人依靠風力驅動行走。這種以自然資源進行驅動的方式是球形機器人能源問題的一次革新。2004年，瑞典的Rotundus公司研制了一種名為GroundBot的安全巡邏球形機器人。GroimdBot機器人可以探測到入侵者，并迅速報告給用戶得知。該球形機器人采用重擺改變重心來驅動行走，能夠達到10-15公里/小時的速度。它具有多種形式的球形外殼， 傳感器安裝在球形殼體的兩側，并且可以在雪地行走。目前，這種球形機器人已經(jīng)商業(yè)化應用。2005年，加拿大魁北克省舍布魯克大學的米肯(Michaud)等學者研制了一種用于兒童教育的球形機器人Roball。RcAall球形機器人依靠配重塊繞垂直于長軸的方向擺動驅動行走。球形機器人的研究在國內還是一個較新的概念，但也有一些單位和學者開始了這方面的探索。北京郵電大學、北京航空航天大學、上海交通大學、蘇州大學和西安電子科技大學等院校都在球形機器人研究方面取得了一定的研究成果。2001年，北京郵電大學自動化學院孫漢旭教授開始研制球形機器人樣機，并先后申請并獲得了多項發(fā)明專利。此后在國家自然科學基金和教育部科學技術研究重點項目支持下陸續(xù)開發(fā)了基于兩電機驅動的BYQ-1、BYQ-2及BYQ-3球形機器人；針對球形運動機器人的獨特結構特點，設計了多種控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了在無線控制下的球形移動機器人的全方位運動及越障；對球形機器人在平地運動及越障狀態(tài)時的運動學、動力學進行了理論分析， 并利用制造出的球形機器人樣機驗證了理論分析的結果。2001年上海交通大學楊汝清教授研制了一種同步帶輪內部驅動式球形機器人 SMR0 SMR球形機器人采用兩個電機驅動，其中一個電機為換向電機，另一個為驅動電機。換向電機帶動球形機器人的框架繞一中心軸旋轉，實現(xiàn)球形機器人的轉動換向，驅動電機驅動一個同步帶輪繞著鑲嵌在球形機器人框架中的同步齒形帶作圓周運動，使球體的質心發(fā)生改變，從而驅動球體運動。2001年北京航空航天大學的戰(zhàn)強教授領導的課題組研制了一種球形機器人 BHQ-1。該機器人共采用兩個直流電機，其中電機1通過傳動系統(tǒng)與外球殼連接，可直接驅動球殼前進和后退；電機2通過傳動系統(tǒng)與一重物連接，可通過擺動重物來改變機器人的重心，從而使機器人實現(xiàn)轉彎運動。另外，上海交通大學機電控制研究所的金康進、施光林等學者，西安電子科技大學機電工程學院的李團結、朱超，東北大學機械電子工程研究所的王佳、胡俠，哈爾濱工業(yè)大學機電學院鄧宗全、岳明等人都分別提出了不同結構的球形機器人。2008年，孫漢旭教授創(chuàng)新性的提出了 BYQ-4球形機器人使得球形機器人首次具備了對外操作能力BYQ-4球形機器人是對普通球形移動機器人的擴展，在球形機器人移動能力保留的基礎上，增加機械臂執(zhí)行機構，使球形機器人具有操作能力。BYQ-4球形機器人的出現(xiàn)，不僅豐富了球形機器人的功能，而且大大拓展了球形機器人的應用領域?，F(xiàn)有的球形機器人大多是滿足于行走功能，很少有對外操作功能，或者對外操作功能單一，局限性太大，這樣就大大降低了球形機器人的對外操作能力及實用性。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有球形機器人的問題，提供一種可運用于探測的新型球形機器人，該機器人不僅提高了探測球形機器人的對外操作能力，使其具有可抓取物體，運載物體，探測物體等功能，當兩臂完全向上伸展開時具有邊行走邊拍攝功能，當兩臂都完全向下伸展開時，將探測球形機器人演變成了一個通過前輪驅動的三輪車，大大提高了球形機器人的爬坡能力，增強了球形機器人的實用性。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明提供的可運用于探測的球形機器人包括一球殼，在該球殼中設有一筒體， 該筒體的軸線在所述球殼的一直徑方向重合，該筒體與所述球殼之間通過可轉動結構連接，所述筒體的兩端口上各設有一球殼蓋子，其與所述球殼組成外形完整的球形，在所述筒體中設有兩個手臂，每個所述手臂包括與所述筒體固聯(lián)的固定手臂部分和活動手臂部分， 所述活動手臂部分通過電機和傳動機構連接在所述固定手臂部分上，兩個所述球殼蓋子分別固定在每個手臂的所述活動手臂部分上；所述筒體上固設筒體驅動電機，在該筒體驅動電機的輸出軸與所述球殼之間設置傳動裝置，使得所述筒體相對于所述球殼轉動；在所述筒體上設有一配重驅動機構，其包括一重擺，該重擺連接在一擺桿上，所述擺桿連接在一轉軸上，該轉軸可轉動地設置在所述筒體的一側的側壁上，在該筒體側壁上設有重擺驅動電機，與所述轉軸連接。所述筒體上還設有另一個所述配重機構，其中的所述重擺也連接在一擺桿上，所述擺桿連接在另一轉軸上，該另一轉軸可轉動地與所述轉軸在所述筒體的相對的兩個側壁上設置，兩個所述配重機構中的兩根轉軸的軸線重合并通過所述球殼的球心且與所述筒體的軸線垂直；所述的另一個所述配重機構中的所述轉軸上通過一傳動機構與所述重擺驅動電機連接。在兩個所述手臂中的所述活動手臂部分上分別可轉動地設有一腳輪；和/或，在所述兩個所述手臂中的活動手臂部分設有攝像或攝影鏡頭。連接所述重擺的轉軸的軸線與所述筒體的軸線相垂直且都通過球心。所述球殼分為上球殼和下球殼兩部分，兩上下球殼的切分面經(jīng)過所述球殼的直徑，且該切分面與所述筒體的軸線相垂直。在這樣的有上下球殼構成的所述球殼中，所述筒體分為上筒體、中筒體和下筒體三段，所述上筒體為圓截面筒體，其通過一軸承與所述上球殼固聯(lián)；所述下筒體為圓截面筒體，其通過一軸承與所述下球殼固聯(lián)；所述中筒體為矩形截面筒體，其兩端分別與所述上筒體和所述下筒體固聯(lián)。通過所述配重機構中重擺驅動電機，驅動所述重擺而改變探測球形機器人的重心位置，使本探測球形機器人的運動狀態(tài)發(fā)生改變，如由靜止到滾動、加速、減速、由滾動到靜止等，即實現(xiàn)探測球形機器人的全向滾動。而通過筒體驅動電機，使得球殼中的筒體與球殼產生相對轉動，當通過配重機構調整到所述筒體為水平位置時，啟動所述筒體驅動電機，可以使得本探測球形機器人能夠繞筒體的軸線進行滾動，在滾動中，筒體可始終保持不翻轉的水平位置進行移動。在本技術方案之前，球形機器人的球殼中的任何部件都沒有能保持這樣的運動狀態(tài)的。這樣的筒體， 非常有利于探測工作，如果在筒體中固定一觀察裝置或攝影裝置，又使得球殼和筒體用透明材料制作，就可以在球殼行進過程中的觀察或拍攝。這時，如果將筒體中的兩個手臂伸出球殼，通過驅動重擺調整，使其上的腳輪著地，這是，本球形機器人就可形成一輛三輪車，球體為驅動輪，驅動筒體驅動電機，就可以使得本球形機器人如三輪車一樣行進。由此，可大大提高本球形機器人爬坡的能力。兩個手臂伸出，在兩個手臂上如果裝置攝影或攝像頭，則可以是本球形機器人具有雙目測距等功能。設置在所述筒體中的兩個手臂，其結構均是這樣的所述活動手臂部分包括一伸縮桿，其套設在所述固定手臂部分上，該活動手臂部分和固定手臂部分之間設有傳動機構，該傳動機構上連接手臂伸出電機；或者，所述活動手臂部分包括一伸縮桿，其套設在所述固定手臂部分上，該活動手臂部分和固定手臂部分之間設有傳動機構，該傳動機構上連接伸手臂伸出電機；在所述活動手臂部分的伸縮桿上連接另一桿件，該桿件與所述伸縮桿之間連接一使得該桿件與該伸縮桿相對轉動的轉角傳動機構，該轉角傳動機構上連接轉角驅動電機；或者，所述活動手臂部分包括一伸縮桿，其套設在所述固定手臂部分上，該活動手臂部分和固定手臂部分之間設有傳動機構，該傳動機構上連接手臂伸出電機；在所述活動手臂部分的伸縮桿上連接另一桿件，該桿件與所述伸縮桿之間連接一使得該桿件與該伸縮桿相對轉動的轉角傳動機構，該轉角傳動機構上連接轉角驅動電機；在所述另一桿件上設有另一伸縮桿，該另一伸縮桿與該桿件之間設有傳動機構，該傳動機構上連接另一伸縮驅動電機。所述兩個手臂中的所述固定手臂部分均包括一固定手臂關節(jié)桿，其軸線與所述筒體軸線平行，所述固定手臂關節(jié)桿包括一外筒，在外筒內同軸線地插設活動手臂部分中的所述手臂關節(jié)桿；該手臂關節(jié)桿為一絲桿套筒，絲桿套筒內壁具有螺紋，其外壁與固定手臂關節(jié)桿即外筒內壁之間設有周向固定但軸向可相對滑移的定位結構，其是在固定手臂關節(jié)桿內壁上設一軸向嵌槽，在所述手臂關節(jié)桿的外壁上設一卡嵌件，其嵌設在該軸向嵌槽中； 在固定手臂關節(jié)桿和手臂關節(jié)桿之間設置傳動機構和手臂伸出電機，使得手臂關節(jié)桿可相對于固定手臂關節(jié)桿相對軸向移動而伸縮；兩個所述手臂中的所述伸出手臂關節(jié)桿的伸出方向相反；在兩個該伸出手臂關節(jié)桿的端部各固設一所述球殼蓋子。該傳動機構具體的包括兩個齒輪和一個絲杠，所述手臂伸出電機固定在所述固定手臂關節(jié)桿上，所述絲杠螺設在所述手臂關節(jié)桿中并通過軸承與固定手臂關節(jié)桿固聯(lián)，其端頭伸出在手臂關節(jié)桿套筒端口之外，在絲杠所述端頭和手臂伸出電機的輸出軸上分別固接兩個齒輪，該兩個齒輪嚙合。電機啟動，絲杠原地轉動，相對于固定手臂關節(jié)桿轉動，即可使得手臂關節(jié)桿移動而伸出或縮回固定手臂關節(jié)桿所述球殼蓋子與所述伸出手臂關節(jié)桿的連接結構可以是固接結構，這時，所述球殼蓋子在縮回到位時與所述筒體匹配結合。所述球殼蓋子與所述伸出手臂關節(jié)桿的連接結
7構也可以是軸承連接結構，這時，所述球殼蓋子在縮回到位時與所述球殼匹配結合。在后一種情形下，該軸承座置于所述蓋子的幾何中心點，一轉軸與軸承座連接，在該轉軸的端部套接一連桿的一端，該連桿的另一端套設在所述伸出手臂關節(jié)桿的端部。進一步地，所述手臂中的所述另一桿件與所述伸縮桿之間的所述轉角傳動機構的結構為所述伸縮桿上固設一支撐座，在該支撐座上通過軸承設置兩根錐齒輪軸，一根錐齒輪軸上連接所述轉角驅動電機，兩錐齒輪軸上設置相嚙合的一對錐齒輪。所述另一桿件與所述另一伸縮桿之間設有的所述傳動機構為所述另一桿件即伸出手臂支關節(jié)桿包括一外筒，在該外筒內有一螺紋套筒，該螺紋套筒與所述外筒之間設置軸向嵌合結構，螺紋套筒中螺接一絲杠，螺紋套筒為另一伸縮桿即手臂關節(jié)桿，該外筒固定在設置一基座上，該基座固定在所述錐齒輪的軸上，該軸與其上的所述錐齒輪固連，而隨錐齒輪的轉動而轉動，從而實現(xiàn)能夠90度打開的機構，在該基座上設有一支桿伸縮電機，該支桿伸縮電機的輸出軸通過傳動機構與所述絲杠連接使之轉動，使得所述另一伸縮桿相對于另一桿件伸縮；或者，在兩個所述手臂中的所述活動手臂部分伸出手臂支關節(jié)桿上螺接的所述另一伸縮桿可轉動地設有一腳輪，其設置在該另一伸縮桿的端頭上，和/或，在所述活動手臂部分設有的攝像或攝影鏡頭在所述另一伸縮桿上設置，其設置在該另一伸縮桿的端頭上。為了在探測球形機器人體內裝上多關節(jié)機械臂，本發(fā)明采用圓筒式結構，多關節(jié)機械臂即安裝在圓筒內，這樣不會影響重擺的運動，不會發(fā)生機械干涉。并且多關節(jié)機械臂整體結構的重心集中在球心，這樣會使探測球運動起來更容易，主要有重擺的重心來調節(jié)運動，減少其他因素的干擾。兩端的蓋子與手臂的第二關節(jié)是固連，當手臂通過絲杠機構伸出時，蓋子也會水平打開，通過這種巧妙的設計，將蓋子打開機構與多關節(jié)機械臂融合在一起，可以降低結構的復雜性，提高其實用性及可行性。當雙側多關節(jié)結構的所述手臂完全向上伸展開時，可以實現(xiàn)探測球形機器人邊行走邊拍攝的功能。因為多關節(jié)機械臂的所述固定手臂部分也可以稱為第一關節(jié)與筒體固連，重擺長軸方向也是與筒體固連，即當重擺沿筒的軸線方向擺動時，機械臂與重擺的運動同步。由于球殼與重擺的相對轉動，在直線行走時，重擺相對于地面始終是豎直向下的，即多關節(jié)手臂始終是完全向上伸展開的，這時，在手臂前端的兩個攝像頭始終保持一定的高度及一定的間距不變，從而實現(xiàn)探測球形機器人的邊行走邊拍攝功能。同時由于是兩個攝像頭，并且水平間距保持不變，因此可以實現(xiàn)雙目測距等功能。當雙側多關節(jié)手臂完全向下伸展開時，多關節(jié)手臂前端的輪子接觸地面，將探測球形機器人變成了一個通過前輪驅動的三輪車，由于多關節(jié)手臂的第一關節(jié)與圓筒固連， 而手臂前端已經(jīng)于地面接觸，這樣，當電機驅動圓筒旋轉時，會有放作用力驅動球殼向前轉動，開始向前行走。這時，探測球形機器人前進的驅動力是由電機的轉矩提供，而不是依靠重擺的力矩提供，即不再是通過改變重心提供向前驅動的力矩，而是像汽車一樣，通過前輪驅動，向前行走，這樣大大提高了探測球形機器人向前請走的轉矩，增大了爬坡能力，從而增大了其實用性和可行性。
在手臂前端裝上機械手爪，即可實行一定范圍內的抓取物體的任務，由于是兩個手臂，即可以實行雙臂協(xié)同操作完成任務，提高了探測球形機器人的實用性和可行性。本發(fā)明提供的可運用于探測的球形機器人具有如下優(yōu)點1、本發(fā)明探測球形機器人外殼可以實現(xiàn)全封閉，易于密封防塵，用特殊材料制作的球殼可以防輻射，隔離高溫和低溫，保護內部零件不受損壞。2、如果在本球形機器人的球殼外表面上涂敷類似橡膠的涂層，并使得該橡膠層的表面形成凹凸紋路，則可增大表面粗糙度，利于探測球形機器人的行走。3、本發(fā)明探測球形機器人運動靈活，可以進行直線行走，轉彎行走，還能實現(xiàn)零轉彎半徑。4、兩側的多關節(jié)手臂連接上現(xiàn)有技術中的機械手，就可以實行抓取，運載物體的功能，甚至可以實現(xiàn)雙臂協(xié)同操作，來抓取，運載物體。5、當兩側的多關節(jié)手臂在通過配重機構中的重擺驅動電機的帶動下調整球殼的著地位置使得從筒體中伸出的帶有彎折結構的手臂的前端向上伸展開時，手臂前端的兩個攝像頭處于探測球形機器人的前上方，通過圓筒式的結構設計，可以實現(xiàn)邊行走邊實時拍攝，并且由于攝像頭的位置處于探測球形機器人的正前上方，機器人行走掀起來的灰塵不會落在攝像頭上，不會干擾拍攝。6、當兩側的多關節(jié)手臂在通過配重機構中的重擺驅動電機的帶動下調整球殼的著地位置使得從筒體中伸出的帶有彎折結構的手臂的前端向下伸展開時，手臂前端的兩個輪子與地面接觸，通過圓筒式的結構設計，將探測球形機器人就變成了一個通過前輪驅動的三輪車，避免了現(xiàn)有技術中一般球形機器人通過重擺改變重心、驅動力矩取決于重擺質量大小的局限性。此時的驅動力矩由筒體驅動電機提供，即筒體驅動電機的驅動力矩越大， 驅動力矩就越大，大大提高了探測球形機器人的驅動性能，從而增大了探測球形機器人的爬坡能力。7、本發(fā)明探測球形機器人具有雙目識別功能，因為可伸出兩個手臂，共有兩個攝像頭，所以可以實現(xiàn)雙目識別功能，以及測距功能，內部還可以裝有GPS導航功能。下面通過附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。


圖1為本發(fā)明提供的可運用于探測的球形機器人的主剖視結構示意圖；圖2為圖1的側視結構示意圖；圖加為圖2中刪去筒體中的手臂的球形機器人的側視結構示意圖；圖3為圖1的俯視結構示意圖；圖4為本發(fā)明提供的球形機器人設置在筒體中的所述手臂的結構示意圖；圖5為如圖4所示的手臂伸出殼體的第一步動作的示意圖；圖6為如圖4所示的手臂伸出球殼且轉折之后的第二步動作的示意圖；圖7為如圖4所示的手臂伸出球殼并轉折之后且轉折后的手臂部分又伸出一段的第三部動作的示意圖。圖8為如圖4所示的手臂伸出結構的示意圖；圖9為如圖4所示的手臂轉折結構的示意圖10為本發(fā)明提供的球形機器人其中的筒體的軸線水平設置，在筒體驅動電機驅動下運行的示意圖；圖11為本發(fā)明提供的球形機器人其中的筒體的軸線水平設置時，手臂向上伸出， 在筒體驅動電機驅動下運行的示意圖；圖12為本發(fā)明提供的球形機器人其中的筒體的軸線水平設置時，手臂向下伸出， 在筒體驅動電機驅動下運行的示意圖；圖13為圖11的俯視結構示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明提供的可運用于探測的球形機器人包括一球殼1，該球殼分為上球殼11和下球殼12兩部分，上下球殼的切分面經(jīng)過球殼1的直徑，上球殼11與下球殼 12的結合面上通過設有相匹配的企口卡固定位配合(如圖1所示)，通過中間設置的在圓周方向上均布的螺釘10固連(如圖3所示)。在該球殼中設有一筒體2，該筒體2的軸線在球殼1的一直徑方向上與球殼的所述切分面垂直。筒體2分為上筒體21、中筒體22和下筒體23三段。在上球殼11上固定有上基座 110，上筒體21為圓截面筒體，其通過一設置在上基座110上的軸承211與上球殼11固聯(lián)； 在下球殼12上固定有下基座120，下筒體23為圓截面筒體，其通過一設置在下基座120上的軸承231與下球殼12固聯(lián)；中筒體22為矩形截面筒體，其兩端分別與所述上筒體21和所述下筒體22通過螺釘固接成為一體。由此，該筒體2與所述球殼1之間可轉動地連接在一起。如圖1所示，在所述筒體2的中筒體22右側的外側壁上通過一基座221固設一筒體驅動電機3，在該筒體驅動電機3的輸出軸與所述球殼之間設置傳動裝置，使得所述筒體 2相對于所述球殼1轉動；該傳動裝置可以是一齒輪傳動機構，即在筒體驅動電機3的輸出軸上固聯(lián)一小齒輪31，在上球殼11上設置的上基座110上設置一大齒輪111，小齒輪31和大齒輪111嚙合。因此，啟動筒體驅動電機3即可使得筒體2相對于球殼1轉動。如圖1、圖2和圖加所示，在筒體2的中筒體22的前面和后面的的兩個相對的外側壁上對稱地設置兩個配重機構4，每個配重機構均包括一重擺40，該重擺40連接在一擺桿41上，所述擺桿41連接在一轉軸42的一端，在中筒體22的側壁上固設有一端帶有法蘭盤的套筒221，轉軸42設置在該套筒221中，轉軸42和套筒221之間設置軸承222和軸承 223，通過法蘭盤將該套筒221固定在中筒體上，由此，該轉軸42即可轉動地設置在所述筒體2的側壁上了。在中筒體22的左側外壁上設置基座500，在該基座上設置重擺驅動電機 5，在該重擺驅動電機5的輸出軸的兩端個固設一鏈輪50，兩個配重機構中的每個轉軸42的另一端固設一鏈輪421，每個配重機構4中的鏈輪421和重擺驅動電機5輸出軸上的一個鏈輪50之間設置一鏈條51。還可以在中筒體22的左側外壁上通過基座521固設另一鏈輪軸，其上設置兩個鏈輪52，每個鏈輪52套設在所述鏈條51中。通過兩套由鏈輪50、鏈輪 52、鏈輪421和鏈條51組成的該鏈傳動機構將重擺驅動電機5和兩套配重機構連接在一起。使得兩個配重機構在一個重擺驅動電機5的帶動下同步動作。當重擺驅動電機5驅動鏈輪50旋轉時，通過鏈條51的傳遞作用，驅動鏈輪421旋轉，從而重擺40可以在X Z平面內繞Y軸旋轉；
當筒體驅動電機3驅動小齒輪31旋轉時，通過小齒輪31與大齒輪1 11的嚙合， 帶動大齒輪11 1旋轉，即筒體2與球殼1會繞Z軸的相對轉動當球殼1固定時筒體2會繞Z軸旋轉；當筒體2固定時球殼1會繞Z軸旋轉；通過所述配重機構中重擺驅動電機，驅動所述重擺而改變探測球形機器人的重心位置，使本探測球形機器人的運動狀態(tài)發(fā)生改變，如由靜止到滾動、加速、減速、由滾動到靜止等，即實現(xiàn)探測球形機器人的全向滾動。通過配重機構調整到使得筒體2的軸線與地面平行位置，驅動筒體驅動電機3，就可以使得球形機器人前后滾動，而筒體2保持與地面平行的位置。在所述筒體2的一側設置一套配重裝置也可以作為一種配重設置方案供選擇使用。筒體2的兩端口上各設有一球殼65，兩個球殼蓋子65與所述球殼1組成外形完整的球形。如圖2、圖4至圖9所示，在所述筒體2中設有兩個手臂6，每個所述手臂6包括與所述筒體固聯(lián)的固定手臂部分和活動手臂部分，所述活動手臂部分通過電機和傳動機構連接在所述固定手臂部分上，兩個所述球殼蓋子65分別固定在每個手臂的所述活動手臂部分上；所述活動手臂部分包括一伸縮桿，其套設在所述固定手臂部分上，該活動手臂部分和固定手臂部分之間設有傳動機構，該傳動機構上連接手臂伸出電機；或者，所述活動手臂部分包括一伸縮桿，其套設在所述固定手臂部分上，該活動手臂部分和固定手臂部分之間設有傳動機構，該傳動機構上連接伸手臂伸出電機；在所述活動手臂部分的伸縮桿上連接另一桿件，該桿件與所述伸縮桿之間連接一使得該桿件與該伸縮桿相對轉動的轉角傳動機構，該轉角傳動機構上連接轉角驅動電機；或者，所述活動手臂部分包括一伸縮桿，其套設在所述固定手臂部分上，該活動手臂部分和固定手臂部分之間設有傳動機構，該傳動機構上連接手臂伸出電機；在所述活動手臂部分的伸縮桿上連接另一桿件，該桿件與所述伸縮桿之間連接一使得該桿件與該伸縮桿相對轉動的轉角傳動機構，該轉角傳動機構上連接轉角驅動電機；在所述另一桿件上設有另一伸縮桿，該另一伸縮桿與該桿件之間設有傳動機構，該傳動機構上連接另一伸縮驅動電機。上述三個方案中以最后一個方案為最佳方案，其具體的結構如圖2至圖9所示，兩個手臂6中的所述固定手臂部分均包括一固定手臂關節(jié)桿61，活動手臂部分包括手臂關節(jié)桿62、手臂關節(jié)桿63和手臂關節(jié)桿64，固定手臂關節(jié)桿61上固設兩個連接環(huán)224，該兩個連接環(huán)224固定在中筒體22內側壁上。固定手臂關節(jié)桿61軸線與所述筒體2軸線平行。 如圖8所示，固定手臂關節(jié)桿61包括一外筒611，在外筒611內同軸線地插設活動手臂部分中的所述手臂關節(jié)桿62。該手臂關節(jié)桿62為一絲桿套筒，筒內壁具有螺紋，其外壁與固定手臂關節(jié)桿61內壁之間設有周向固定但軸向可相對滑移的定位結構，例如，在固定手臂關節(jié)桿61內壁上設一軸向嵌槽，在所述手臂關節(jié)桿的外壁上設一卡嵌件，其嵌設在該軸向嵌槽中。在固定手臂關節(jié)桿61和手臂關節(jié)桿62之間設置傳動機構和動力裝置，使得手臂關節(jié)桿62可相對于固定手臂關節(jié)桿61相對軸向移動而伸縮。該傳動機構和動力裝置具體的包括一電機601、兩個齒輪606、607和一個絲杠604，電機601固定在固定手臂關節(jié)桿61上，絲杠604螺設在手臂關節(jié)桿62中并通過軸承605與固定手臂關節(jié)桿61固聯(lián)，其端頭伸出在手臂關節(jié)桿62套筒端口之外，在絲杠604所述端頭和電機601的輸出軸上分別固接齒輪607和606，該兩個齒輪嚙合。電機601啟動，絲杠轉動原地相對于固定手臂關節(jié)桿轉動， 即可使得手臂關節(jié)桿62移動而伸出或縮回固定手臂關節(jié)桿61。如圖9所示，手臂關節(jié)桿62和手臂關節(jié)桿63之間為一所述轉角傳動機構的結構為所述伸縮桿即手臂關節(jié)桿62上固設一支撐座(圖中未示出)，在該支撐座上通過軸承設置兩根錐齒輪軸，一根錐齒輪軸上連接所述轉角驅動電機602，兩錐齒輪軸上設置相嚙合的一對錐齒輪66、67，連接錐齒輪66的一根錐齒輪軸上連接所述轉角驅動電機602，該轉角驅動電機602的輸出軸與手臂關節(jié)桿62軸線平行，該手臂關節(jié)桿62的軸線與手臂關節(jié)桿 63軸線平行地設置，但在手臂關節(jié)桿63端頭設有一 90°彎折段，在該彎折段的端頭連接其上設有錐齒輪67的另一錐齒輪軸。手臂關節(jié)桿63上還連接一伸縮桿，即手臂關節(jié)桿64，手臂關節(jié)桿63和手臂關節(jié)桿 64的伸縮連接結構與手臂關節(jié)桿61和手臂關節(jié)桿62的伸縮結構基本相同，手臂關節(jié)桿63 與手臂關節(jié)桿64之間設有的所述傳動機構為包括一外筒，在該外筒內有一螺紋套筒，即為手臂關節(jié)桿63，該螺紋套筒與所述外筒之間設置軸向嵌合結構，螺紋套筒中螺接一絲杠， 該絲杠通過例如一齒輪傳動機構連接一支桿伸縮電機603，該外筒固定設置在一基座上，該基座固定在所述錐齒輪的軸上，該軸與其上的所述錐齒輪固連，因此，可以隨錐齒輪的轉動而轉動，從而實現(xiàn)能夠90度打開的機構。如圖2和圖4所示，設置在筒體2中的兩個所述手臂中的所述活動手臂部分從所述固定手臂部分中的伸出方向相反；在兩個該活動手臂部分中的手臂關節(jié)桿62的端部各固設一球殼蓋子65。所述球殼蓋子65與手臂關節(jié)桿62連接，當手臂關節(jié)桿62收縮回固定手臂關節(jié)桿61到截止位置時，所述球殼蓋子65與所述球殼1組成外形完整的球形，且接口密封，不是的灰塵等進入球殼中。手臂關節(jié)桿62與球殼蓋子65的連接結構可以是固接結構，這時，所述球殼蓋子65在縮回到位時與所述筒體匹配結合。所述球殼蓋子65與手臂關節(jié)桿62的連接結構也可以是軸承連接結構，這時，所述球殼蓋子65在縮回到位時與所述球殼1匹配結合。不管是固接結構還是軸承連接結構，手臂關節(jié)桿62與球殼蓋子65的結合點都置于所述球殼蓋子65的幾何中心點，一軸651與軸承座或球殼蓋子65連接，在該軸的端部套接一連桿652的一端，該連桿652的另一端套設在手臂關節(jié)桿62的端部。如圖6所示，在兩個所述手臂中的手臂關節(jié)桿64上可轉動地設有一腳輪641。如圖11所示，在兩個所述手臂中的手臂關節(jié)桿64上還可以設置攝像或攝影鏡頭 642。圖4至圖7顯示出本球形機器人筒體中的手臂伸出的三個步驟和四個狀態(tài)。如圖10所示，筒體驅動電機3可以驅動整個筒以及配重繞球體的中心軸Y軸旋轉，靜止的時候，重擺40相對于地面時豎直向下的，當筒體驅動電機3驅動重擺40繞 Y軸，即在X Z平面內逆時針旋轉，即重擺40與地面的豎直方向將會產生一定的夾角，此時球殼1的重心(重心主要由配重決定)將會向前偏移，通過改變重心，球殼1會向重心偏移的方向傾斜，因此球殼1會向前滾動，當球殼1向前滾動后，由于球殼1與重擺40有相對旋轉，此時重擺40與地面又恢復到豎直狀態(tài)，即穩(wěn)定狀態(tài)。如果筒體驅動電機3持續(xù)運轉，驅動重擺40繼續(xù)逆時針旋轉，球體將繼續(xù)向前滾動，即沿X軸正方向滾動。重擺驅動電機5可以驅動配重繞X軸方向擺動，即在TL平面內擺動，通過改變重心，即可以控制球在前進過程中的左右平衡，同時還可以控制球殼1的轉彎，即向左轉彎， 還是向右轉彎。當球殼1在勻速前進過程中，重擺40相對于地面幾乎是一直豎直向下的，同樣，筒體2相對于地面是在做一個平移運動，方向如圖10中的ν箭頭所示，沒有旋轉，因此，筒體2 相當于是球殼1內部的一個穩(wěn)定平臺，所以可以在中筒體22上部安裝攝影鏡頭642(如圖 10所示)，球殼1是透明的，因此可以在球殼1的運動中拍攝畫面，即可以實現(xiàn)球體一邊行走，一邊拍攝畫面，這是一個與現(xiàn)有技術完全不同的創(chuàng)新點。如圖11所示，啟動手臂上的相應電機和重擺驅動電機5使得手臂斜向上伸出來。 然后只是啟動筒體驅動電機3，由于手臂是固定在筒體2上的，而在前進過程中，筒體2是一個穩(wěn)定平臺，因此手臂也是穩(wěn)定的，即在球體前進過程中，手臂是一直保持平移運動的。所以在球體的前進過程中，攝像頭將始終保持在球體的正前方，攝像頭可以伸出來拍攝，這就避免了當攝像頭在球的內部，由于球殼被土壤或灰塵覆蓋，導致看不清，這又是一個與現(xiàn)有技術完全不同的創(chuàng)新點。如圖12和圖13所示，啟動手臂上的相應電機和重擺驅動電機5使得手臂斜向下伸出來，在手臂的前端安裝腳輪641。手臂固定在筒上，即手臂和筒是一個整體；當筒體驅動電機3驅動筒體2相對于球殼1逆時針旋轉時，由于手臂前端的腳輪641與地面接觸，即筒體2相對地面時不會旋轉的，因此球殼就會順時針旋轉，從而整個球體將向前滾動，方向如圖12中的ν箭頭所示。此時的球體向前滾動，不是靠重心的偏移而運動，而是通過筒體驅動電機3直接驅動球體向前運動，其轉動力矩由筒體驅動電機3的驅動力矩決定，因此，只要筒體驅動電機3的驅動力矩足夠大，就會使得球體具有更大的向前的轉動力矩，不會因為重擺40的質量有限，從而導致轉動力矩有限。通過筒體驅動電機3直接驅動球體向前運動，大大增加了球體向前運動的轉動力矩，因此也大大增加了球體的實用性，比如在爬坡方面，將會有更大的爬坡力矩。這又是一個創(chuàng)新點。
權利要求
1.一種可運用于探測的球形機器人，包括一球殼，其特征在于在該球殼中設有一筒體，該筒體的軸線與所述球殼的一直徑重合，該筒體與所述球殼之間通過可轉動結構連接， 所述筒體的兩端口上各設有一球殼蓋子，其與所述球殼組成外形完整的球形，在所述筒體中設有兩個手臂，每個所述手臂包括與所述筒體固聯(lián)的固定手臂部分和活動手臂部分，所述活動手臂部分通過電機和傳動機構連接在所述固定手臂部分上，兩個所述球殼蓋子分別固定在每個手臂的所述活動手臂部分上；所述筒體上固設筒體驅動電機，在該筒體驅動電機的輸出軸與所述球殼之間設置傳動裝置，使得所述筒體相對于所述球殼轉動；在所述筒體上設有一配重機構，其包括一重擺，該重擺連接在一擺桿上，所述擺桿連接在一轉軸上， 該轉軸可轉動地設置在所述筒體一側的側壁上，在該筒體側壁上設有一重擺驅動電機，該重擺驅動電機的輸出軸與所述轉軸連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的可運用于探測的球形機器人，其特征在于所述筒體上還設有另一個所述配重機構，其中的所述重擺也連接在一擺桿上，所述擺桿連接在另一轉軸上， 該另一轉軸可轉動地與所述轉軸設置在所述筒體的相對的兩個側壁上設置，兩個所述配重機構中的兩根轉軸的軸線重合并通過所述球殼的球心且與所述筒體的軸線垂直；所述的另一個所述配重機構中的所述轉軸通過一傳動機構與所述重擺驅動電機連接。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的可運用于探測的球形機器人，其特征在于在兩個所述手臂中的所述活動手臂部分上分別可轉動地設有一腳輪；和/或，在所述兩個所述手臂中的活動手臂部分設有攝像或攝影鏡頭。
4.根據(jù)權利要求1所述的可運用于探測的球形機器人，其特征在于連接所述重擺的轉軸的軸線與所述筒體的軸線相垂直且都通過球心；或者，所述球殼分為上球殼和下球殼兩部分，兩上下球殼的切分面經(jīng)過所述球殼的直徑，且該切分面與所述筒體的軸線相垂直。
5.根據(jù)權利要求1所述的可運用于探測的球形機器人，其特征在于所述筒體分為上筒體、中筒體和下筒體三段，所述上筒體為圓截面筒體，其通過一軸承與所述上球殼固聯(lián)； 所述下筒體為圓截面筒體，其通過一軸承與所述下球殼固聯(lián)；所述中筒體為矩形截面筒體， 其兩端分別與所述上筒體和所述下筒體固聯(lián)。
6.根據(jù)權利要求1至5之一所述的可運用于探測的球形機器人，其特征在于設置在所述筒體中的兩個手臂，其結構均是這樣的所述活動手臂部分包括一伸縮桿，其套設在所述固定手臂部分上，該活動手臂部分和固定手臂部分之間設有傳動機構，該傳動機構上連接手臂伸出電機；或者，所述活動手臂部分包括一伸縮桿，其套設在所述固定手臂部分上，該活動手臂部分和固定手臂部分之間設有傳動機構，該傳動機構上連接伸手臂伸出電機；在所述活動手臂部分的伸縮桿上連接另一桿件，該桿件與所述伸縮桿之間連接一使得該桿件與該伸縮桿相對轉動的轉角傳動機構，該轉角傳動機構上連接轉角驅動電機；或者，所述活動手臂部分包括一伸縮桿，其套設在所述固定手臂部分上，該活動手臂部分和固定手臂部分之間設有傳動機構，該傳動機構上連接手臂伸出電機；在所述活動手臂部分的伸縮桿上連接另一桿件，該桿件與所述伸縮桿之間連接一使得該桿件與該伸縮桿相對轉動的轉角傳動機構，該轉角傳動機構上連接轉角驅動電機；在所述另一桿件上設有另一伸縮桿，該另一伸縮桿與該桿件之間設有傳動機構，該傳動機構上連接另一伸縮驅動電機。
7.根據(jù)權利要求6所述的可運用于探測的球形機器人，其特征在于所述兩個手臂中的所述固定手臂部分均包括一固定手臂關節(jié)桿，其軸線與所述筒體軸線平行，所述固定手臂關節(jié)桿包括一外筒，在外筒內同軸線地插設活動手臂部分中的所述手臂關節(jié)桿；該手臂關節(jié)桿為一絲桿套筒，筒內壁具有螺紋，其外壁與固定手臂關節(jié)桿內壁之間設有周向固定但軸向可相對滑移的定位結構，其是在固定手臂關節(jié)桿內壁上設一軸向嵌槽，在所述手臂關節(jié)桿的外壁上設一卡嵌件，其嵌設在該軸向嵌槽中；在固定手臂關節(jié)桿和手臂關節(jié)桿之間設置傳動機構和手臂伸出電機，使得手臂關節(jié)桿可相對于固定手臂關節(jié)桿相對軸向移動而伸縮；兩個所述手臂中的所述伸出手臂關節(jié)桿的伸出方向相反；在兩個該伸出手臂關節(jié)桿的端部各固設一所述球殼蓋子。
8.根據(jù)權利要求7所述的可運用于探測的球形機器人，其特征在于所述球殼蓋子與所述伸出手臂關節(jié)桿的連接結構是固接結構，所述球殼蓋子在縮回到位時與所述筒體匹配結合；或者，所述球殼蓋子與所述伸出手臂關節(jié)桿的連接結構是軸承連接結構，所述球殼蓋子在縮回到位時與所述球殼匹配結合；或者，該傳動機構具體的包括兩個齒輪和一個絲杠，所述手臂伸出電機固定在所述固定手臂關節(jié)桿上，所述絲杠螺設在所述手臂關節(jié)桿中并通過軸承與固定手臂關節(jié)桿固聯(lián)，其端頭伸出在手臂關節(jié)桿套筒端口之外，在絲杠所述端頭和手臂伸出電機的輸出軸上分別固接兩個齒輪，該兩個齒輪嚙合。
9.根據(jù)權利要求8所述的可運用于探測的球形機器人，其特征在于該軸承座置于所述蓋子的幾何中心點，一轉軸與軸承座連接，在該轉軸的端部套接一連桿的一端，該連桿的另一端套設在所述伸出手臂關節(jié)桿的端部。
10.根據(jù)權利要求6至9之一所述的可運用于探測的球形機器人，其特征在于每個所述手臂中的所述另一桿件與所述伸縮桿之間的所述轉角傳動機構的結構為所述伸縮桿上固設一支撐座，在該支撐座上通過軸承設置兩根錐齒輪軸，兩錐齒輪軸上設置相嚙合的一對錐齒輪；一根錐齒輪軸上連接所述轉角驅動電機，該轉角驅動電機的輸出軸與所述伸縮桿軸線平行，該伸縮桿的軸線與所述另一桿件軸線平行地設置，但在所述另一桿件端頭設有一 90°彎折段，在該彎折段的端頭連接另一所述錐齒輪軸；和/或，所述另一桿件與所述另一伸縮桿之間設有的所述傳動機構為所述另一桿件伸出手臂支關節(jié)桿包括一外筒，在該外筒內有一螺紋套筒，該螺紋套筒與所述外筒之間設置軸向嵌合結構，螺紋套筒中螺接一絲杠，螺紋套筒為另一伸縮桿即手臂關節(jié)桿，該外筒固定在設置一基座上，該基座固定在所述錐齒輪的軸上，該軸與其上的所述錐齒輪固連，而隨錐齒輪的轉動而轉動，從而實現(xiàn)能夠90度打開的機構，在該基座上設有一支桿伸縮電機，該支桿伸縮電機的輸出軸通過傳動機構與所述絲杠連接使之轉動，使得所述另一伸縮桿伸縮；或者，在兩個所述手臂中的所述活動手臂部分伸出手臂支關節(jié)桿上螺接的所述另一伸縮桿的端頭可轉動地設有一腳輪，其設置在該另一伸縮桿的端頭上，和/或，在所述活動手臂部分設有的攝像或攝影鏡頭，其設置在該另一伸縮桿的端頭上。
全文摘要
本發(fā)明提供一種可運用于探測的球形機器人，包括一球殼，在其中設一筒體，該筒體與球殼可轉動地連接，筒體兩端口上各設一球殼蓋子，其與球殼組成外形完整的球形，在筒體中設兩個手臂，每個手臂包括與筒體固聯(lián)的固定手臂部分和活動手臂部分，活動手臂部分通過電機和傳動機構連接在固定手臂部分上，兩個球殼蓋子分別固定在每個手臂的活動手臂部分上；筒體上固設筒體驅動電機，通過傳動裝置與球殼連接，在筒體上設有一配重機構，重擺驅動電機驅動該配重機構。本機器人提高了探測球形機器人的對外操作能力，可演變成通過前輪驅動的三輪車，大大提高了球形機器人的爬坡能力，增強了球形機器人的實用性。
文檔編號B25J11/00GK102179812SQ20111008220
公開日2011年9月14日 申請日期2011年4月1日 優(yōu)先權日2011年4月1日
發(fā)明者葉平, 葉茁, 孫漢旭, 孫治偉, 宋荊州, 張延恒, 賈慶軒, 趙偉, 高欣 申請人:北京郵電大學