專利名稱：全向運動球形機器人的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種全向運動球形機器人，屬于機電一體化技術領域，具體涉及 一種球形機器人，可用于環境探測、軍事偵查、外星探險、家庭娛樂等領域。
技術背景球形機器人是一種新型結構的滾動行走機器人，具有運動速度快、越野性能 好、控制相對簡單等特點，逐漸成為國內外智能機器人研究領域的熱點之一。第 一臺真正的球形機器人是芬蘭Halme等人在1996年設計的(參見《Motion Control ofA Spherical Mobile robot》，Proceedings of AMC，96-MIE，正EE， 1996:259-264)， 他們在球殼內設置了一個驅動輪，由電機驅動其在球殼內滾動，通過改變球體的 重心實現機器人的直線運動，但缺點是不能改變運動方向。此后，國內外不斷出 現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動球殼作直線前后運動，通過驅動重物左右偏移使球體左右 傾轉以實現機器人轉向。該方案控制簡單，但不能靜止原地轉向，并且兩個電機 必須分別克服球殼與重物的轉動慣量，因而對電機組件的驅動能力要求較高；同 時，當主軸伸出球殼外時，必須考慮傾斜轉彎可能的觸地問題。申請號為200510011953.9的《全方位運動球形機器人》，在球殼內部有一個 不與球殼固連的運動機構，它通過獨輪滾動裝置在球殼內滾動，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的朝向來實現機器人的全方位運動。 該方案結構簡潔，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》，在球殼內有 一圓環，兩頭伸出兩根支撐短軸，圓環上有一電機通過齒輪嚙合帶動圓環與球殼 作相對滾動；圓環內與短軸垂直的方向上放置一根長軸，長軸中心設有配重塊， 圓環上另一電機通過齒輪嚙合驅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，不能在任意點原地轉向，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 實現較難、實用性較低的不足。特別是，有些裝置的轉向運動與前進運動耦合， 使得球體內部驅動機構的狀態不確定，加大了控制難度；極少能在任意點原地轉 向，限制了機器人在狹窄而曲折空間內的使用，且未見球殼相對地面的原地轉向 方式；無外部固定接口或不能在球殼外搭載附件，造成實際使用中調試、充電與 維護困難，同時限制了各種環境探測傳感器和機械手的有效使用。 發明內容本發明的目的是提出一種結構新穎、控制簡單、穩定性好、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向、可在球殼外 搭載附件的球形機器人結構方案，克服現有方案的不足。本發明的技術解決方案是全向運動球形機器人，由球殼及其內部的行走驅 動裝置組成。該行走驅動裝置包括水平圓環和垂直固連于水平圓環下側的半圓 架；水平圓環沿其直徑方向外側對稱固連一對短軸，短軸沿球體直徑方向經軸承 與球殼形成轉動副；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，主輪在行走電機驅動下沿球殼內側滾動，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向控制機構，該機構由轉向電機、水平桿和連接在水平桿兩端的質量塊組成，水平桿與質量塊在轉向電機的驅動下 繞半圓架的幾何中心線轉動，引起球殼反向轉動從而改變球體的運動方向。 該方案的優點是1) 驅動機構簡潔，重心處于球體的下方，穩定性好、系統響應速度快；2) 兩個電機分別驅動球體的直線運動和轉向運動，控制方式解耦，可實現 球形機器人全向行走和任意點原地轉向；3) 直線行走機構若設有調節主輪與球殼接觸力的壓力調節器，質量塊與水 平圓環之間若構成防脫落約束，可有效改善球形機器人的運動抗振性；4) 當轉向電機豎直固連于半圓架上側的最下端，所述轉向控制機構還包括 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纏繞情況，無需借助電氣滑環，有利 于集中統一控制；5) 若將水平圓環沿其直徑方向外側對稱固連的一對短軸設置為空心短軸并 伸出球殼，則可搭載附件(用于裝載攝像頭、各種姿態或環境傳感器、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) 以水平圓環為基準可設有工作平面。


圖1為本發明的實施例1的整體結構俯視示意圖。圖2為實施例1的前視示意圖。圖3為本發明的實施例2的整體結構俯視示意圖。圖4為實施例2的前視示意圖。圖5為本發明的實施例3的整體結構俯視示意圖。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，6、半圓架，7、行走電機，8、主輪，9、配重，10、附件，11、轉向電機，12、聯 軸器，13、水平桿，14、質量塊，15、小輪，16、轉軸，17、質量盤或有輻條的 質量環，18、壓力調節器。
具體實施方式
如圖l、圖2所示，本發明的實施例l是全向運動球形機器人，由球殼l 及其內部的行走驅動裝置組成。其行走驅動裝置包括水平圓環5和垂直固連于水 平圓環5下側的半圓架6;水平圓環5沿其直徑方向外側對稱固連一對短軸3， 短軸3沿球體直徑方向經軸承4與球殼1形成轉動副；半圓架6的下方固連一個 直線行走機構，該機構由行走電機7、主輪8和配重9組成，主輪8在行走電機 7驅動下沿球殼1內側滾動，通過前后移動球體重心推動球體直線運動；半圓架 6的上方安裝有轉向控制機構，該機構由豎直固連于半圓架6上側最下端的轉向 電機11、 一端經連軸器12與電機軸連接另一端與水平桿13垂直固連的轉軸16、 及連接在水平桿13兩端的質量塊14組成；其中，水平桿13與質量塊14在轉向 電機11的驅動下繞半圓架6的幾何中心線轉動，引起球殼1反向轉動從而改變 球體的運動方向。如圖3、圖4所示，本發明的實施例2是直線行走同實施例l，轉向控制 機構由豎直固連于半圓架6上側最下端的轉向電機11、取代水平桿13與質量塊 14組合體的有輻條的質量環17、 一端經連軸器12與電機軸連接另一端與質量環 17的輻條垂直固連的轉軸16組成。如圖5、圖6所示，本發明的實施例3是直線行走同實施例l，轉向控制 機構由水平桿13及其兩端含有小輪15的質量塊14組成，轉向電機11安裝于質 量塊14內部，用以驅動小輪15沿水平圓環5運動；其中，水平桿13設有調節 小輪15與凹槽接觸力的壓力調節器18。關于本發明的各種實施例，還有如下說明1) 配重9可以是電池、電路板等。2) 直線行走機構內部設有壓力調節器，以保證主輪8在球殼1內滾動時具有合適的接觸力。3) 質量塊14、或者質量盤或有輻條的質量環17與水平圓環5之間構成防 脫落約束。4) 主輪8與球殼1之間、質量塊14與水平圓環5之間呈輪式接觸或齒式嚙 合；并且在實施例1和2中，質量塊14或者質量盤或質量環17與水平圓環5 之間亦可為滑動接觸或含滾珠的滾動接觸。5) 轉向控制機構中水平桿13與質量塊14的組合體，或者質量盤或有輻條 的質量環17，其質量分布繞半圓架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，內部的水平圓環5傾斜較小，可以其為基準設置 工作平面，用來放置儀器和設備。
權利要求
1、一種全向運動球形機器人，由球殼(1)及其內部的行走驅動裝置組成，其特征在于行走驅動裝置包括水平圓環(5)和垂直固連于水平圓環(5)下側的半圓架(6)；所述水平圓環(5)沿其直徑方向外側對稱固連一對短軸(3)，短軸(3)沿球體直徑方向經軸承(4)與球殼(1)形成轉動副；所述半圓架(6)的下方固連一個直線行走機構，該機構由行走電機(7)、主輪(8)和配重(9)組成，主輪(8)在行走電機(7)驅動下沿球殼(1)內側滾動，通過前后移動球體重心推動球體直線運動；所述半圓架(6)的上方安裝有轉向控制機構，該機構由轉向電機(11)、水平桿(13)和連接在水平桿(13)兩端的質量塊(14)組成，水平桿(13)與質量塊(14)在轉向電機(11)的驅動下繞半圓架(6)的幾何中心線轉動，引起球殼(1)反向轉動從而改變球體的運動方向。
2、 根據權利要求l所述的全向運動球形機器人，其特征在于所述直線行 走機構含有調節主輪(8)與球殼(1)接觸力的壓力調節器。
3、 根據權利要求l所述的全向運動球形機器人，其特征在于所述水平圓 環(5)設有防止質量塊(14)脫出的凹槽。
4、 根據權利要求1-3所述的任一全向運動球形機器人，其特征在于所述 轉向電機(11)豎直固連于半圓架(6)上側的最下端，所述轉向控制機構還包 括一根一端與電機軸相連，另一端與水平桿(13)垂直固連的轉軸(16)。
5、 根據權利要求4所述的全向運動球形機器人，其特征在于所述水平桿 (13)與質量塊(14)的組合體，為質量盤或有輻條的質量環(17)。
6、 根據權利要求1-3所述的任一全向運動球形機器人，其特征在于所述 轉向電機(11)安裝于質量塊(14)的內部，用以驅動小輪(15);且水平桿(13) 設有調節小輪(15)與水平圓環(5)接觸力的壓力調節器(18)。
7、 根據權利要求l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、 根據權利要求1所述的全向運動球形機器人，其特征在于所述球殼(l) 外部包裹輕質的沖氣密封材料或減振材料。
9、 根據權利要求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(5)為基準設有工作平面。
全文摘要
本全向運動球形機器人，涉及球形機器人技術領域。其行走驅動裝置包括水平圓環(5)和垂直固連于水平圓環下側的半圓架(6)；水平圓環通過短軸(3)和軸承與球殼形成轉動副；半圓架下方固連一個直線行走機構，該機構由行走電機(7)、主輪(8)和配重(9)組成，主輪在行走電機的驅動下沿球殼內側滾動，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向控制機構，該機構由轉向電機(11)、水平桿(13)和質量塊(14)組成；水平桿和質量塊在轉向電機的驅動下繞半圓架的幾何中心線轉動，引起球殼反向轉動從而改變球體的運動方向。本發明結構新穎，控制簡單，穩定性好，具有全向運動、原地轉向及搭載附件能力。
文檔編號B62K1/00GK101229832SQ200810020279
公開日2008年7月30日 申請日期2008年2月28日 優先權日2008年2月28日
發明者濤 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