專利名稱：萬向滾動球形機器人的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種球形機器人，特別是一種萬向滾動球形機器人，屬于機電一體化技術領域。
背景技術：
球形機器人是球狀的移動機器人，類似于倉鼠球，本質是改變內部的重心位置以提供移動驅動力，同時方向可控性好。它能在泥、沙、雪甚至水中行動，也可在有毒氣體泄露、輻射、生物危害環境下活動，適合危險環境探測、太空開發、消防救災、軍事活動、科學考察、家庭服務和娛樂等領域。球形機器人與輪形移動機器人相比，有其獨特的優點。球形機器人是全封閉的個體。輪形移動機器人易受污染，也不能翻倒；由于其慣性不足，導致其越過粗糙表面的能力較弱。要增加輪形移動越障能力，只有增大輪子的尺寸，但是也增加了機器人的總體尺寸和重量。球形機器人的發明就是由增強機器人的越障能力而推動的。第一臺具有真正意義上的球形機器人運動機構是由芬蘭赫爾辛基大學的Halme教授于1996年提出來的，該球形機器人的球殼內設計了一套單輪機構驅動球體運動，通過改變球體的重心實現球體的直線運動，缺點是不能實現轉向。球形機器人在近十多年來得到眾多研究者的關注和重視。南京航空航天大學楊忠等人的發明專利“結構簡化的全方位運動球形機器人”(專利號ZL 200810020280. 7)的主輪在行走電機的驅動下沿球殼內側滾動，從而驅動球體作直線運動，質量小車在其內部電機的驅動下沿圓弧架運動，使球體重心左右偏移，從而實現機器人的轉向控制，該結構的機器人利用不完整系統的特點使用2個電機構成不完全的三自由度。由于質量小車沿著圓弧架運動時受到圓弧架轉動副的限制，其轉向范圍小于半球區間，存在運動死角，當球形機器人由于外力的作用翻轉到機器人短軸位置時，機器人無法動彈，失去移動功能。目前為止，國內發明專利“三驅動球形機器人”(專利號 200810111880. 4)，采用了三個電機實現三驅動形式的球形機器人，軌道電機和短軸電機都是作為驅動電機，長軸電機作為轉向電機。軌道電機和短軸電機分別與長軸電機組合或者三者綜合運動都能能實現全向滾動。軌道電機和短軸電機是運動冗余結構，軌道電機和短軸電機的轉動軸線平行，直線驅動方向相同。該結構的機器人構成了三自由度，但是存在短軸向運動死區，假設球體遇到外界障礙，與外界的接觸點在A-A短軸上時，機器人無法動彈，失去移動功能。美國密歇根州立大學Ranjan Mukherjee的發明專利“球形移動機器人” (專利號US 628^6;3B1)采用空間120°均勻分布的四驅動質量塊的方式實現了球形機器人的全方位移動，沒有運動死區。球面的任何位置與外界接觸點接觸時，球面都能實現全方位運動，但是采用四驅動方式，存在成本高、控制難度高、結構復雜，制造難度大等問題。以上的情況說明，目前球形機器人存在2個問題，一是部分球形機器人采用二驅動和三驅動實現的三自由度球形機器人存在運動死區，在球面的特殊區域與地面接觸時， 機器人失去運動能力；二是采用四驅動形式實現的三自由度球形機器人存在成本高，控制復雜等缺點。因此，發明一種結構簡單、控制難度低、成本低，具有良好避障能力、能夠全方位移動機器人的三自由度機器人，并且能夠實現球面萬向滾動的新型球形機器人是非常必需的。
發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種萬向滾動球形機器人，長軸電機驅動長軸主動齒輪轉動，長軸主動齒輪嚙合長軸從動齒輪，帶動長軸轉動；由于內框兩端是固定在長軸上，內框與長軸同步轉動，內框下部的慣性輪被帶動，繞長軸軸線旋轉，從而改變球形機器人重心位置；短軸電機轉動帶動內框下部的慣性輪轉動，慣性輪繞短軸軸線旋轉，從而改變球形機器人重心位置；方位電機旋轉時帶動慣性輪繞方位電機軸線旋轉，改變慣性輪的方向，當長軸或短軸旋轉時，慣性輪重心偏移方向發生改變，從而達到控制球形機器人方向的目的；長軸旋轉和方位電機旋轉組合可實現全方位滾動，短軸旋轉和方位電機旋轉組合可實現全方位滾動，長軸、短軸、方位電機組合旋轉也可實現全方位滾動。按照本發明提供的技術方案，所述萬向滾動球形機器人，包括球殼和內部的行走驅動裝置。其中，行走驅動裝置包括短軸電機、短軸、長軸支承軸承、長軸、內框、方位電機、 長軸從動齒輪、長軸電機支承軸承、長軸主動齒輪、長軸電機、慣性輪。短軸電機和短軸位于球殼中心線，短軸經過內框對稱線，并以內框兩端為轉動支承；長軸經過球殼中心線，該中心線與短軸所經過的球殼中心線垂直相交于球心；長軸以球殼內側為轉動支承副，兩對長軸支承軸承對稱安裝在球殼內側；長軸電機以長軸支承軸承為轉動支承，長軸電機所在軸線與長軸所在軸線平行；位于長軸上的被動齒輪與長軸主動齒輪嚙合；內框中心與球殼中心重合，內框的兩對稱線分別與短軸和長軸的中心線重合；方位電機軸線經過球心，且該軸線垂直于短軸中心線和長軸中心線相交構成的平面；慣性輪與方位電機相連接，慣性輪的對稱線經過方位電機軸線。本發明中短軸轉動軸線、長軸轉動軸線、方位電機轉動軸線互相垂直，相交于球殼中心點。短軸和長軸旋轉導致慣性輪翻轉，實現球形機器人的直線運動， 方位電機轉動慣性輪實現球形機器人轉向控制。所述內框的形狀構成“十字形”形狀或者其形狀為中部帶圓弧形長方體，圓弧圓心位于長方體的對稱中心，圓弧位于長軸方向；在長軸方向，內框內側與內框中心的距離大于慣性輪旋轉半徑。所述慣性輪的橫截面為圓形、梯形、或者為長方形，在慣性輪的上方開有圓孔，降低慣性輪的重心位置。所述短軸軸線、長軸軸線、方位電機軸線互相垂直，并且相交于球心。所述內框固定在長軸上，長軸轉動時帶動內框、短軸、短軸電機、方位電機、慣性輪同步轉動。所述短軸以內框為支撐，并以內框兩端為轉動副。所述方位電機固定在短軸上，慣性輪固定在方位電機傳動軸上；短軸電機轉動時， 帶動短軸、方位電機、慣性輪同步轉動。本發明的優點是
1、實現三個互相獨立的自由度，三個獨立自由度組成一個三維自由空間，實現球形機器人的全方位移動。2、整個球面沒有運動死區，實現了球形機器人球面的萬向滾動，增強了遇到特殊情況時的機器人運動能力。3、控制方式簡單，三個電機之間互相獨立，不存在耦合問題。4、慣性輪重心易于調節，通過慣性輪上部的孔降低重心，而且可以在孔上加置配
重，抬高重心。5、內部空間設置合理，三個電機沒有轉動限制，慣性輪可自由轉動和翻轉。6、內框的框形結構，平面位置寬大，可用于控制電路板、電源等部件的放置。
圖1為本發明俯視結構示意圖(內框結構形式為“十字框形”)；
圖2為本發明俯視結構示意圖(內框結構形式為“中部帶圓弧形的框形”)； 圖3為本發明正視結構示意圖。圖中
1、短軸電機；2、短軸；3、球殼；4、長軸支承軸承；5、長軸；6、內框；7、方位電機；8、長軸從動齒輪；9、長軸電機支承軸承；10、長軸主動齒輪；11、長軸電機；12、慣性輪。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明的技術方案作進一步描述。如圖1、圖2、圖3所示，本發明所述的萬向滾動球形機器人，包括球殼3及其內部的行走驅動裝置。其中，行走驅動裝置包括處于球心中央的內框6，內框6外側兩端固定在長軸5上，內框6的對稱線與長軸5的軸線重合，長軸5過球心并經軸承4與球殼3形成轉動副；長軸從動齒輪8套接在長軸5上，長軸電機11與長軸主動齒輪10連接且以長軸支承軸承4為轉動支承，長軸主動齒輪10與長軸從動齒輪8嚙合帶動長軸5轉動；短軸電機1 與短軸2末端連接，短軸2的軸線經過球心與內框6的另一對稱線重合，短軸2以內框6為支承，形成轉動副；方位電機7軸線過球心與短軸2和長軸5的軸線所在平面相垂直，方位電機7固定在短軸2上，慣性輪12與方位電機7相連接。本發明所述的萬向滾動球形機器人存在三個互相獨立的自由度，即長軸5的轉動軸A-A1，短軸2的轉動軸B-B1，慣性輪12的轉動軸C-C1，三者的轉動軸線互相垂直并相交于球殼3的球心。長軸5轉動帶動內框6、短軸2、短軸電機1、方位電機7、慣性輪12同步轉動，慣性輪12在翻轉過程中導致球殼3重心發生改變，從而驅動球形機器人直線行走；當長軸5旋轉時，帶動內框6、短軸2、短軸電機1、方位電機7、慣性輪12同步轉動，慣性輪12 繞A-Al為對稱線翻轉，導致球殼3重心發生改變，從而驅動球形機器人沿直線B-Bl行走； 當短軸2旋轉時，帶動方位電機7、慣性輪12同步轉動，慣性輪12繞C-Cl為對稱線翻轉，導致球殼3重心發生改變，從而驅動球形機器人沿直線A-Al行走；當方位電機7旋轉時，慣性輪12在其帶動下以自身對稱線C-Cl為軸線作自轉運動，從而改變球形機器人直線運動的方向。萬向滾動球形機器人內部結構對稱，內框6的中心與球殼3的球心重合。內框6 的結構設計(“十字框形”和“中部帶圓弧形的框形”)充分考慮了慣性輪12以B-Bl為旋轉軸線翻轉的空間。慣性輪12在短軸電機1的驅動下能繞B-Bl軸線作360°的翻轉動作，所以球殼的重心能從上半球移動到下半球，反之亦然。這樣，萬向滾動球形機器人就能實現球面萬向滾動，在球面的每個點，球形機器人都能全方位移動。 最后應說明的是以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明， 盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，對于本領域的技術人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換。 凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種萬向滾動球形機器人，包括球殼和內部的行走驅動裝置，其特征在于行走驅動裝置包括處于球殼中心線的短軸電機和短軸，短軸經過內框對稱線，并以內框兩端為轉動支承；長軸經過球殼中心線，該中心線與短軸所在的球殼中心線垂直相交于球心；長軸以球殼內側為轉動支承副，兩對長軸支承軸承對稱安裝在球殼內側；長軸電機以長軸支承軸承為轉動支承，長軸電機所在軸線與長軸所在軸線平行；長軸上的被動齒輪與長軸電機連接的長軸主動齒輪嚙合；內框中心與球殼中心重合，內框的兩對稱線分別與短軸和長軸的中心線重合；方位電機軸線經過球心，且該軸線垂直于短軸中心線和長軸中心線相交構成的平面；慣性輪與方位電機相連接，慣性輪的對稱線經過方位電機軸線；短軸和長軸旋轉導致慣性輪翻轉，實現球形機器人的直線運動，方位電機轉動慣性輪實現球形機器人轉向控制。
2.根據權利要求1所述的萬向滾動球形機器人，其特征在于所述內框為“十字形”形狀或者兩側中部帶圓弧形長方體，圓弧圓心位于內框的對稱中心。
3.根據權利要求2所述的萬向滾動球形機器人，其特征在于所述內框固定在長軸上， 長軸轉動時帶動內框、短軸、短軸電機、方位電機、慣性輪同步轉動。
4.根據權利要求1所述的萬向滾動球形機器人，其特征在于所述慣性輪的橫截面為圓形、梯形、或者長方形，在慣性輪的上方開有圓孔，降低慣性輪的重心位置。
5.根據權利要求1所述的萬向滾動球形機器人，其特征在于所述短軸以內框為支撐， 并以內框兩端為轉動副。
6.根據權利要求5所述的萬向滾動球形機器人，其特征在于所述短軸的軸線與長軸軸線、方位電機軸線相交于球心，并且短軸的軸線、長軸軸線、方位電機軸線互相垂直。
7.根據權利要求1所述的萬向滾動球形機器人，其特征在于所述方位電機固定在短軸上，短軸電機轉動時，帶動短軸、方位電機、慣性輪同步轉動。
全文摘要
本發明公開了一種萬向滾動球形機器人，涉及球形機器人領域。短軸電機和短軸處于球殼中心線，以內框兩端為轉動支承；長軸經過球殼中心線，與短軸所在的球殼中心線垂直相交于球心；長軸以球殼內側為轉動支承副，長軸上的被動齒輪與長軸電機連接的長軸主動齒輪嚙合；方位電機軸線經過球心，慣性輪與方位電機相連接，慣性輪的對稱線經過方位電機軸線，短軸和長軸旋轉導致慣性輪翻轉，實現球形機器人的直線運動，方位電機轉動慣性輪實現球形機器人轉向控制。本發明三個自由度互相獨立，實現了球形機器的全方位移動，實現了球形機器人球面的萬向滾動，控制方式簡單，慣性輪重心易于調節，內框的框形結構可用于控制電路板、電源等部件的放置。
文檔編號B62D57/00GK102398265SQ20101028506
公開日2012年4月4日 申請日期2010年9月17日 優先權日2010年9月17日
發明者俞建峰 申請人:俞建峰