專利名稱：高機動球形探測機器人的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種可用于環境探測、星球探測及缺少人為干預環境巡邏的 球形探測機器人系統。
背景技術：
球形機器人是一種將運動機構和控制器件等包含在一個球形殼體內的 系統的總稱。由于這類機器人具有良好的動態和靜態平衡性，因此不會因為 碰撞或跌落而產生失穩狀態。同時，由于其機電、傳感和控制部件都包括在 這個球殼之中，因此具有很好的密封性，可以在沙塵、潮濕、腐蝕性的惡劣
環境中工作。A. Halme, T. Schonberg and 丫. Wang, Motion Control of a Spherical Mobile Robot, 4th IEEE International Workshop on Advanced Motion Control AMC'96, Mie University, Japan 1996.介紹了芬蘭的Aame Halme設計的一種球形機器人并申請了專利，該球形機器人采用了 一個在球 殼內滾動的輪來驅動整個球形機器人的運動；Antonino Bicchi， Andrea Balluch, etc. Introducing the "SPHERICLE": an experimental testbed for research and teaching in nonholonomy. In: Proceedings of the 1997 IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, Albuquerque, New Mexico, April 1997:2620-2625.介紹了意大利比薩大學的Antonio bicchi等發明的一種結 構不同的球形機器人，該球形機器人主要是放置一輛小車于球殼中，通過對 小車的控制來實現機器人的運動；Michaud F. and Theberge-Turmel. Mobile robotic tpys and autism. In Dautenhahn, K.， Bod. A Socially Intelligent Agents Creating Relationships with Computers and Robots. Kluwer Academic, 2002.介紹了力口拿大的Francois Michaud和Serge Caron 研制一個玩具用途的球形機器人，他們通過調整懸掛在主軸上的重物來實現機器人的轉向；中國發明專利申請號01118269.X，改進的球形機器人全方 位行走機構公開了北京郵電大學孫漢旭教授申請的一個全方位球形機器人 的專利，它是通過球內的一個全方位運動機構來實現球形機器人的運動。申 請人與合作者也曾申請了一個球形機器人的專利，它是通過電機直接帶動球 殼來前進后退，通過擺動一重物來實現球形機器人的轉彎。
球形機器人的一個主要的用途是可以進行探測或觀測，但上述發明或設 計的球形機器人只追求運動的靈活性，而忽略了具體應用中傳感器等設備的 加裝問題。由于球形機器人只能采用遙控或自主的方式來運動，在這兩種方 式下，如果讓機器人在遠距離或有遮擋的環境中運動，都需要傳感器的輔助， 如視覺傳感器，遙控者在視覺信息的指引下可以讓球形機器人按著任務的需 要進行合理的動作，同時球形機器人也可以在視覺信息的導引下做一些自主 運動。如果無法為視覺等傳感器提供一個穩定的安裝平臺，傳感器會隨著球 形機器人轉動，這時傳感器提供的不是某個確定方向的有用環境信息，而是 不穩定的機器人附近的信息，這些信息無法為機器人的運動提供合理的指 導。為了能夠為球形機器人提供合理有效的傳感信息，需要在球形機器人上 為傳感器提供一個不隨機器人轉動的安裝位置。

發明內容
本發明的技術解決問題是克服現有技術的不足，不僅可以提供一種不 隨球殼轉動、便于安裝和使用傳感器的平臺，為系統控制提供穩定的圖像， 并且傳感器可以伸出和縮回球殼，以適用于對不同的工作環境進行探測。此 外，球形機器人可以靈活地完成前進、后退、左轉、右轉、爬坡和越障等運 動功能，同時要使其具有零半徑原地轉向功能，以使其可以在狹小的工作空 間進行探測。
本發明的技術解決方案是高機動球形探測機器人，包括球殼，其特征 在于兩個連接盤固連于球殼內部，直線運動驅動電機通過齒輪嚙合直接驅 動球殼做直線運動；兩連接盤上分別裝有通過球形軸心方向的滾動軸承，一個倒立的門形支撐架通過滾動軸承與連接盤相連，此支撐架在運動過程中不 隨球殼轉動，與地面保持水平，其底部通過推力球軸承連接有重塊，回轉運
動驅動電機可以帶動重塊相對倒立門形支撐架做旋轉運動；支撐架上還裝有 螺旋機構，其上的左旋螺母和右旋螺母上分別與相機連接桿固聯，相機連接 桿上分別裝有兩個攝像頭，通過控制伸縮機構驅動電機從而控制攝像頭的伸 出和縮回。
在本發明中，機器人前進及后退的直線運動采用重心偏移原理，機器人 的原地正反回轉運動采用角動量守恒原理。直線運動驅動單元與球殼固連， 驅動單元與球殼的接觸良好，對球殼的要求相對弱一些。回轉運動通過重塊 的旋轉實現，所以可以實現零半徑轉彎，提高了運動靈活性。本發明中，高 機動球形機器人為攝像頭等傳感器提供了一個穩定的安裝平臺，攝像頭裝在 伸縮機構上，機構根據需要伸出或縮回球殼內，從而對攝像頭進行有效的保 護。
本發明與現有技術相比的有益效果
1 、該高機動球形機器人利用重心偏移來實現其前進及后退直線運動， 結構簡單、運動靈活、可控性好；利用角動量守恒實現其原地零半徑轉變方 向，使得球形機器人機動性高；該高機動球形機器人在中軸的左右兩側各有 一個可伸縮的相機支架，在球形機器人運動的過程中可相對地面保持水平， 為攝像機等傳感器提供一個相對穩定的安裝平臺；該球形機器人還具有遙控 運動功能，可以由操縱者根據反饋圖像遙控球形機器人運動，該機器人所有 機構、器件都密封在球殼內部，可以阻止外部環境對內部器件造成傷害，所 以可以完成諸如野外開發、排雷、劇毒氣體檢測、現場環境觀測及星球探測 等多種任務。
2、本發明不同于以往的專利內容主要表現在該高機動球形機器人具 有獨特的內部運動機構，分別利用重心偏移來實現直線運動，利用角動量守恒實現原地零半徑轉向，利用螺旋機構實現兩個攝像頭的伸縮運動，使得該球形機器人運動靈活，機動性強。原地轉向機構可實現對周圍環境的360 度掃描探測，攝像頭的伸縮機構可在需要時伸出攝像頭、不需要時縮回攝像 頭，既保護了攝像頭又可以提高球形機器人通過狹窄環境的能力。此外，該 高機動球形機器人兩端的相才幾支架不隨機器人轉動，相對地面保持水平，可 以為傳感器等提供一個相對穩定的安裝平臺。機械結構上保證了球形機器人 具有較好的剛性和配合精度，從而減小由于機械變形或傳動間隙引起的運動 誤差。所以該球形機器人可以在復雜環境下工作，可靠性高。


圖1為本發明的整體結構示意圖；圖2、 3、 4為本發明的內部運動機構結構示意圖。
具體實施方式
如前圖所示，本發明實施方式為球殼19內部兩側對稱裝有與球殼固 連的兩個連接盤3,兩連接盤3上分別裝有通過球形軸心方向的滾動軸承5， 一個倒立的門形支撐架1通過滾動軸承5與連接盤相連，此支撐架在運動過 程中不隨球殼19轉動，與地面保持水平；門形支撐架1 一側裝有驅動電機 4,通過驅動軸上齒輪11與電機上齒輪2嚙合傳遞運動，帶動連接盤3轉 動，從而帶動球殼19轉動，高機動球形機器人即做直線運動，驅動電機4 的正反向轉動可實現球形機器人做向前或向后的直線運動；倒立的門形支撐 架1底部裝有一小正立門形支架23，驅動電機12伸出軸朝下連接在此小支 架23上部， 一重塊20通過連接軸21和推力球軸承22連接在支撐架1底 部，驅動電機12的輸出軸與連接軸21通過鍵連接，可以帶動重塊20相對 倒立門形支架1做旋轉運動，根據角動量原理，高機動球形機器人即做與重 塊20轉向相反的原地旋轉運動。上述的直線和轉向兩種運動相結合就可以 實現該高機動球形探測機器人的全向運動。倒立的門形支架1上部，裝有螺 旋機構，此機構有光桿15、左旋螺母18、右旋螺母14、螺桿16，其中螺桿16中心通過鍵連接有齒輪17，螺桿16兩側通過滾動軸承13與門形支架 1相連，驅動電機6伸出軸帶動齒輪10與螺桿16上齒輪17嚙合，從而帶 動螺桿16轉動，從而帶動左旋螺母18及右旋螺母14沿螺桿16做背向或 相向移動，左旋螺母18和右旋螺母14上分別通過相機連接桿9連接有相 機安裝板8和球殼端蓋7，兩個相機安裝板8上分別裝有一個攝像頭，通過 控制驅動電機6從而控制攝像頭的伸出和縮回。
權利要求
1、高機動球形探測機器人，包括球殼19，其特征在于兩個連接盤3固定對稱連接在球殼19的內部，不隨球殼19轉動的一個支撐架1的兩端分別通過滾動軸承5和連接盤3相連。直線運動機構的驅動電機4安裝在支撐架1上，電機4的轉動通過一對齒輪2、11將運動傳給連接盤3，進而驅動球殼19轉動，來實現球形機器人的直線運動。原地轉向運動機構的驅動電機12通過電機支撐座23固定在支撐架1上，電機12輸出軸通過連接軸21、推力球軸承22及螺栓25連接重塊20并驅動其高速旋轉，從而使球殼19進行原地反向轉動。攝像頭伸縮機構的電機6通過齒輪10、17傳動帶動絲杠16旋轉，而絲杠16的左右兩側分別為右旋和左旋螺紋，當絲杠16旋轉時，其上兩個螺母14、18會沿光桿15進行背向或相向運動，兩個相機連接桿9分別固定安裝在螺母14、18上，通過螺母的運動帶動一起運動，實現球形機器人左右兩側的相機支架8伸出和縮回球殼19。
2、 根據權利要求1所述的高機動球形探測機器人，其特征在于所述 的直線驅動機構通過把驅動電機4安裝在支撐架1上，支撐架1與空心軸 26固連，并通過軸承5支撐在連接盤3上，齒輪11與空心軸26固連，電 機4輸出軸上固連的齒輪2通過與齒輪11嚙合傳動，帶動空心軸26轉動， 從而帶動支撐架1及其上的所有部件繞著空心軸26的中心線轉動，由此產 生的重心偏移使球殼19滾動，從而實現機器人的直線運動。
3、 根據權利要求1所述的高機動球形探測機器人，其特征在于所述 的原地轉向運動才幾構，可以實現J求形沖幾器人的原地零半徑轉向。通過把驅動 電機12固定在小支撐架23上，重塊20通過連接螺栓25、連接軸21、推 力球軸承22支撐在支撐架1上，電機12的輸出軸通過連接軸21驅動重塊 20高速旋轉，在角動量守恒的作用下球形機器人進行原地反向轉動。
4、根據權利要求1所述的高機動球形探測機器人，其特征在于機器 人內部有可以伸出和縮回球殼19的螺旋機構，絲杠16通過滾軸軸承13支撐在支撐架1上，其兩側分別為右旋和左旋螺紋，并安裝有兩個螺母14、 18,兩螺母14、 18上分別安裝有相機連接桿9和光杠15,連接桿9與相 機支架8和球殼端蓋7固連，攝像機等傳感器安裝在支架8上，電機6通 過齒輪10、 17傳動來驅動絲杠16旋轉，從而帶動左右螺母14、 18沿著光 杠15直線運動，從而帶動相機支架8和球殼端蓋7進行背向或相向運動， 實現攝像頭和球殼端蓋7的伸縮。螺旋機構固定在支撐架1上，球形機器人 運動過程中支撐架1及上部件不隨球殼轉動，故相機可以保持固定角度進行 拍攝。
全文摘要
高機動球形探測機器人，將運動機構和控制器件等包含在一個球形殼體內，通過重心偏移與角動量守恒原理來實現整個機器人的運動。運動機構主要由支撐架、連接盤、直線驅動機構、原地轉向驅動機構、伸縮機構等構成。直線驅動機構主要包括驅動電機、齒輪傳動單元、執行部件等，它利用重心偏移來實現球形機器人的直線運動。原地轉向驅動機構包括驅動電機和執行機構，利用角動量守恒原理來實現球形機器人的原地轉向運動。直線和轉向兩種運動相結合就可以實現該高機動球形探測機器人任意方位的運動。伸縮機構包括驅動電機、螺旋機構等用來實現兩端攝像頭伸出和縮回球殼。該球形機器人既提供了安裝攝像機的穩定平臺，又可以實現原地轉向，運動靈活、機動性強，可用于劇毒氣體檢測、現場環境觀測及星球探測等多種任務。
文檔編號B62D57/00GK101279619SQ200810093679
公開日2008年10月8日 申請日期2008年4月21日 優先權日2008年4月21日
發明者劉美苓, 叔廣慧, 強 戰, 堯 蔡 申請人:強 戰