球形搬運(yùn)機(jī)器人的制作方法

本實(shí)用新型涉及機(jī)器人機(jī)構(gòu)。更具體地說，本實(shí)用新型涉及一種球形搬運(yùn)機(jī)器人。

背景技術(shù)：

搬運(yùn)機(jī)器人是可以進(jìn)行自動(dòng)化搬運(yùn)作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人。目前，移動(dòng)搬運(yùn)機(jī)器人廣泛采用輪式運(yùn)動(dòng)方式。但是，輪式搬運(yùn)機(jī)器人只適合平坦、無障礙的環(huán)境，其在路況復(fù)雜，崎嶇不平的路面上尤其容易傾倒。因此，輪式機(jī)器人不適用于地形復(fù)雜、崎嶇的環(huán)境，尤其是車站、農(nóng)場、室外等路面坑洼不平的道路。但這些場合對搬運(yùn)機(jī)器人卻有很強(qiáng)的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的一個(gè)目的是解決至少上述問題，并提供至少后面將說明的優(yōu)點(diǎn)。

本實(shí)用新型還有一個(gè)目的是提供一種球形搬運(yùn)機(jī)器人，其能夠在坑洼不平的路面上平穩(wěn)運(yùn)行，結(jié)構(gòu)簡單，耗能少，僅利用機(jī)械手臂與球體重心方向的夾角實(shí)現(xiàn)對速度的控制。

為了實(shí)現(xiàn)根據(jù)本實(shí)用新型的這些目的和其它優(yōu)點(diǎn)，提供了一種球形搬運(yùn)機(jī)器人，其包括：

球形本體，其包括球形外殼和設(shè)置在球形外殼內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)構(gòu)件和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)；

機(jī)械手臂，其設(shè)置在所述球形本體的兩側(cè)，釋放或夾持待搬運(yùn)件，所述機(jī)械手臂的一端連接至驅(qū)動(dòng)構(gòu)件的輸出軸，在驅(qū)動(dòng)構(gòu)件的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)與所述球形本體的重心方向形成夾角，從而帶動(dòng)所述球形本體發(fā)生移動(dòng)；

其中，所述轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)包括：錐齒輪，其設(shè)置在一支撐桿的端部，所述支撐桿的另一端固定連接在所述球形外殼的內(nèi)壁上，所述支撐桿在徑向方向上向圓心延伸；

兩個(gè)第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)，對稱設(shè)置在所述支撐桿的兩側(cè)，所述第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出端上設(shè)置有主動(dòng)齒輪；

以及從動(dòng)軸，其兩端分別設(shè)置有嚙合所述主動(dòng)齒輪的從動(dòng)齒輪和嚙合所述錐齒輪的側(cè)齒輪，第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過輸出不同的轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)球形搬運(yùn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向。

優(yōu)選的是，所述球形搬運(yùn)機(jī)器人還包括一球形內(nèi)殼，其設(shè)置在所述支撐桿上，收納所述錐齒輪和所述側(cè)齒輪；

所述從動(dòng)軸通過軸承穿設(shè)在所述球形內(nèi)殼的側(cè)壁上；所述從動(dòng)齒輪設(shè)置在所述球形內(nèi)殼的外部，所述側(cè)齒輪位于所述球形內(nèi)殼的內(nèi)部。

優(yōu)選的是，所述機(jī)械手臂為一對，對稱設(shè)置在所述球形外殼的兩側(cè)；所述機(jī)械手臂包括：臂部，其固定端連接所述驅(qū)動(dòng)構(gòu)件的輸出軸；所述臂部至少部分中空，中空部分設(shè)置有第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)；

以及爪：其設(shè)置在所述臂部的自由端，在第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下爪張開或閉合，釋放或夾持待搬運(yùn)件。

優(yōu)選的是，所述爪包括：活動(dòng)手指，其通過一關(guān)節(jié)銷連接至所述臂部自由端，所述活動(dòng)手指具有夾持端和尾端；

固定手指，與所述活動(dòng)手指間隔設(shè)置在所述臂部上，所述固定手指配合活動(dòng)手指夾持待搬運(yùn)件；

偏心輪，其連接在所述電機(jī)的輸出端；

驅(qū)動(dòng)繩，其一端連接至所述偏心輪的周緣上，另一端固定在所述活動(dòng)手指的尾端；

以及復(fù)位彈簧，其設(shè)置在固定手指和活動(dòng)手指之間，一端固定連接固定手指，另一端固定連接活動(dòng)手指；

所述偏心輪在第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)繩拉緊活動(dòng)手指，實(shí)現(xiàn)爪的夾持動(dòng)作；在復(fù)位彈簧的回復(fù)力作用下，實(shí)現(xiàn)爪的釋放動(dòng)作。

優(yōu)選的是，所述支撐桿為兩個(gè)，沿所述球形外殼直徑方向上對稱設(shè)置。

優(yōu)選的是，所述球形搬運(yùn)機(jī)器人還包括球形中間殼，其連接在所述支撐桿上，收納所述內(nèi)殼；所述球形中間殼的側(cè)壁上固定有支撐艙；所述第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)置在所述支撐艙內(nèi)。

優(yōu)選的是，所述驅(qū)動(dòng)構(gòu)件包括：軸承，其固定在所述球形外殼側(cè)壁上；

載荷艙，其固定在所述球形外殼的內(nèi)壁上；

以及第三驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其設(shè)置在所述載荷艙內(nèi)部，所述第三驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸穿出所述載荷艙，穿過所述軸承，延伸至所述機(jī)械手臂上。

優(yōu)選的是，所述臂部還設(shè)置有牽引軸，所述驅(qū)動(dòng)繩部分纏繞至所述牽引軸上。

本實(shí)用新型至少包括以下有益效果：本實(shí)用新型所述球形搬運(yùn)機(jī)器人，采用球形外殼具有較強(qiáng)的越障和爬坡能力。不僅可以在平坦、無障礙的環(huán)境中運(yùn)行，同時(shí)也適用于路面崎嶇不平，尤其是坑洼不平的道路上。所述球形搬運(yùn)機(jī)器人利用其機(jī)械手臂與球體的重心方向夾角來驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行，也通過調(diào)節(jié)所述夾角的大小控制運(yùn)行速度。無需額外增加驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使得球形搬運(yùn)機(jī)器人整體重量減輕，降低其耗能。通過兩個(gè)第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)來模擬兩側(cè)車輪的受力，當(dāng)兩個(gè)第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩相同時(shí)，錐齒輪只有公轉(zhuǎn)，球殼保持直線滾動(dòng)。當(dāng)左右兩個(gè)第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩不同時(shí)，錐齒輪既有公轉(zhuǎn)又有自轉(zhuǎn)，球殼邊滾動(dòng)邊轉(zhuǎn)向。當(dāng)左右兩個(gè)第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩完全相反時(shí)，錐齒輪只有自轉(zhuǎn)沒有公轉(zhuǎn)，機(jī)器人原地轉(zhuǎn)彎。所述球形搬運(yùn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，利用差速原理實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的穩(wěn)定轉(zhuǎn)向。

本實(shí)用新型的其它優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征將部分通過下面的說明體現(xiàn)，部分還將通過對本實(shí)用新型的研究和實(shí)踐而為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型其中一個(gè)實(shí)施例所述球形搬運(yùn)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型其中一個(gè)實(shí)施例所述球形搬運(yùn)機(jī)器人的所述機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本實(shí)用新型其中一個(gè)實(shí)施例所述球形搬運(yùn)機(jī)器人的所述轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本實(shí)用新型其中一個(gè)實(shí)施例所述球形搬運(yùn)機(jī)器人的所述轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本實(shí)用新型其中一個(gè)實(shí)施例所述球形搬運(yùn)機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力示意圖；

圖6為本實(shí)用新型其中一個(gè)實(shí)施例所述球形搬運(yùn)機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力示意圖.

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說明書文字能夠據(jù)以實(shí)施。

應(yīng)當(dāng)理解，本文所使用的諸如“具有”、“包含”以及“包括”術(shù)語并不排除一個(gè)或多個(gè)其它元件或其組合的存在或添加。

如圖1、圖3和圖4所示，本實(shí)用新型提供一種球形搬運(yùn)機(jī)器人，其包括：

球形本體100，其包括球形外殼101和設(shè)置在球形外殼內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)構(gòu)件200和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)300；

機(jī)械手臂400，其設(shè)置在所述球形本體100的兩側(cè)，釋放或夾持待搬運(yùn)件，所述機(jī)械手臂400的一端連接至驅(qū)動(dòng)構(gòu)件200的輸出軸201，在驅(qū)動(dòng)構(gòu)件200的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)與所述球形本體100的重心方向形成夾角，從而帶動(dòng)所述球形本體100發(fā)生移動(dòng)；

其中，所述轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)300包括：錐齒輪301，其設(shè)置在一支撐桿302的端部，所述支撐桿302的另一端固定連接在所述球形外殼101的內(nèi)壁上，所述支撐桿302在徑向方向上向圓心延伸；

兩個(gè)第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)303，對稱設(shè)置在所述支撐桿302的兩側(cè)，所述第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)303的輸出端上設(shè)置有主動(dòng)齒輪304；

以及從動(dòng)軸305，其兩端分別設(shè)置有嚙合所述主動(dòng)齒輪304的從動(dòng)齒輪306和嚙合所述錐齒輪301的側(cè)齒輪307，第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)303通過輸出不同的轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)球形搬運(yùn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向。如圖3和圖4所示，本實(shí)用新型所述的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)利用汽車差速器的原理，通過兩個(gè)第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)303模擬汽車兩側(cè)車輪的受力，當(dāng)兩個(gè)第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)303輸出的轉(zhuǎn)矩相同(M₁＝M₂)時(shí)，兩側(cè)從動(dòng)齒輪306帶動(dòng)側(cè)齒輪307以相同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)所述錐齒輪301只有公轉(zhuǎn)，球形本體100保持直線滾動(dòng)。當(dāng)?shù)谝或?qū)動(dòng)電機(jī)303的輸出轉(zhuǎn)矩不同(M₁≠M(fèi)₂)時(shí)，所述主動(dòng)齒輪304輸出的驅(qū)動(dòng)力矩不同，傳遞至側(cè)齒輪307的轉(zhuǎn)矩也不同，那么所述錐齒輪301既有公轉(zhuǎn)又有自轉(zhuǎn)，所述球形本體100就會(huì)邊滾動(dòng)邊轉(zhuǎn)向。當(dāng)?shù)谝或?qū)動(dòng)電機(jī)303的輸出轉(zhuǎn)矩完全相反時(shí)，錐齒輪301只有自轉(zhuǎn)沒有公轉(zhuǎn)，所述球形本體100原地轉(zhuǎn)彎。由于轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)具有兩個(gè)方向的力矩輸出，因此，當(dāng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)兩個(gè)電機(jī)輸出力矩相同時(shí)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的力矩輸出與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)力矩輸出同向，此時(shí)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)也可以作為附加驅(qū)動(dòng)單元使用，可增強(qiáng)機(jī)器人的爬坡及越障能力。所述球形外殼100主要用于實(shí)現(xiàn)所述球形搬運(yùn)機(jī)器人的滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)、越障、爬坡等，還可以起到保護(hù)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)構(gòu)件和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的作用。所述球形外殼101使得球形搬運(yùn)機(jī)器人在遇到坑洼路面時(shí)，能夠更加靈活地越過路面的坑洼，平穩(wěn)前進(jìn)。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，如圖1所示，所述球形搬運(yùn)機(jī)器人還包括一球形內(nèi)殼500，其設(shè)置在所述支撐桿302上，收納所述錐齒輪301和所述側(cè)齒輪307；

所述從動(dòng)軸305通過軸承穿設(shè)在所述球形內(nèi)殼500的側(cè)壁上；所述從動(dòng)齒輪306設(shè)置在所述球形內(nèi)殼500的外部，所述側(cè)齒輪307位于所述球形內(nèi)殼500的內(nèi)部。所述內(nèi)殼用于保持從動(dòng)軸305，從而保證所述主動(dòng)齒輪304的輸出穩(wěn)定傳輸至所述錐齒輪301，保證球形本體的穩(wěn)定性。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，如圖1和圖2所示，所述機(jī)械手臂400為一對，對稱設(shè)置在所述球形外殼101的兩側(cè)；所述機(jī)械手臂400包括：臂部401，其固定端4011連接所述驅(qū)動(dòng)構(gòu)件的輸出軸201；所述臂部401至少部分中空，中空部分設(shè)置有第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)403；

以及爪402：其設(shè)置在所述臂部401的自由端4012，在第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)403的驅(qū)動(dòng)下爪402張開或閉合，釋放或夾持待搬運(yùn)件。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，如圖2所示，所述爪402包括：活動(dòng)手指4021，其通過一關(guān)節(jié)銷4023連接至所述臂部自由端4012，所述活動(dòng)手指4021具有夾持端和尾端；

固定手指4022，與所述活動(dòng)手指4021間隔設(shè)置在所述臂部401上，所述固定手指4022配合活動(dòng)手指4021夾持待搬運(yùn)件；

偏心輪4023，其連接在所述第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)403的輸出端；

驅(qū)動(dòng)繩4024，其一端連接至所述偏心輪4023的周緣上，另一端固定在所述活動(dòng)手指4021的尾端；

以及復(fù)位彈簧4025，其設(shè)置在固定手指4022和活動(dòng)手指4021之間，一端固定連接固定手指4022，另一端固定連接活動(dòng)手指4021；

所述偏心輪4023在第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)403的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)繩4024拉緊活動(dòng)手指4021，實(shí)現(xiàn)爪402的夾持動(dòng)作；在復(fù)位彈簧4025的回復(fù)力作用下，實(shí)現(xiàn)爪402的釋放動(dòng)作。所述爪402主要用于實(shí)現(xiàn)待搬運(yùn)件的抓取，所述爪402通過驅(qū)動(dòng)繩4024實(shí)現(xiàn)手指的張開，并通過復(fù)位彈簧4025實(shí)現(xiàn)手指的閉合?；顒?dòng)手指4021的第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)403位于機(jī)械手臂的臂部內(nèi)，通過第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)403帶動(dòng)偏心輪4023實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)繩的張緊、放松。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，如圖1所示，所述支撐桿302為兩個(gè)，沿所述球形外殼101直徑方向上對稱設(shè)置。由此，保證所述球形搬運(yùn)機(jī)器人穩(wěn)定移動(dòng)。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，如圖1所示，所述球形搬運(yùn)機(jī)器人還包括球形中間殼600，其連接在所述支撐桿302上，收納所述內(nèi)殼500；所述球形中間殼600的側(cè)壁上固定有支撐艙601；所述第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)303設(shè)置在所述支撐艙601內(nèi)。所述支撐艙601用于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與球形搬運(yùn)機(jī)器人剩余部分的慣量匹配，以實(shí)現(xiàn)球形搬運(yùn)機(jī)器人快速轉(zhuǎn)彎。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，如圖1所示，所述驅(qū)動(dòng)構(gòu)件200包括：軸承202，其固定在所述球形外殼101側(cè)壁上；

載荷艙203，其固定在所述球形外殼101的內(nèi)壁上；

以及第三驅(qū)動(dòng)電機(jī)204，其設(shè)置在所述載荷艙203內(nèi)部，所述第三驅(qū)動(dòng)電機(jī)204的輸出軸201穿出所述載荷艙203，配合所述軸承202，延伸至所述機(jī)械手臂400上。所述載荷艙203用于驅(qū)動(dòng)構(gòu)件與球形搬運(yùn)機(jī)器人其他部分的慣量匹配，以實(shí)現(xiàn)球形搬運(yùn)機(jī)器人快速運(yùn)行。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，如圖1所示，所述臂部401內(nèi)還設(shè)置有牽引軸4026，所述驅(qū)動(dòng)繩4024部分纏繞至所述牽引軸4026上。所述牽引軸4026牽引所述驅(qū)動(dòng)繩4024遠(yuǎn)離臂部的內(nèi)壁，避免所述驅(qū)動(dòng)繩4024纏繞打結(jié)。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，如圖5-6所示，本實(shí)用新型所述球形搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)器人負(fù)重運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力，負(fù)載本身的重力G產(chǎn)生前傾力矩M_p，為了保持機(jī)械手臂400相對地面的姿態(tài)，球形外殼101內(nèi)部的第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)303施加反向力矩M_a，根據(jù)牛頓第三定律，此時(shí)球形搬運(yùn)機(jī)器人受到一個(gè)等大反向的力矩-M_a，此力矩使得球形搬運(yùn)機(jī)器人產(chǎn)生前向滾動(dòng)角速度ω。

由機(jī)械手臂400受力平衡得到：

M_a＝M_p

由球形本體100受力平衡得到：

M_a＝M_f

M_f為球形搬運(yùn)機(jī)器人所受到的地面滾動(dòng)摩阻。

由此計(jì)算得到，此時(shí)機(jī)械手臂400與重力方向的夾角，即球形搬運(yùn)機(jī)器人欲維持此運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，第三驅(qū)動(dòng)電機(jī)204必須驅(qū)動(dòng)機(jī)械手臂400偏離重力方向的夾角為：

式中，G為負(fù)載重力，L為機(jī)械臂長度。

盡管本實(shí)用新型的實(shí)施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實(shí)施方式中所列運(yùn)用，它完全可以被適用于各種適合本實(shí)用新型的領(lǐng)域，對于熟悉本領(lǐng)域的人員而言，可容易地實(shí)現(xiàn)另外的修改，因此在不背離權(quán)利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本實(shí)用新型并不限于特定的細(xì)節(jié)和這里示出與描述的圖例。