[發(fā)明專利]結(jié)構(gòu)簡化的全方位運動球形機器人

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810020280.7
• 申請日: 2008-02-28
• 公開（公告）號: CN101229833A
• 公開（公告）日: 2008-07-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊忠;吳惠祥;方挺;姜斌;吳濤;董榮俊
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號: B62K1/00
• 分類號: B62K1/00;B25J5/00;A63H11/00;B60B19/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務(wù)所
• 代理人: 柏尚春

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種結(jié)構(gòu)簡化的全方位運動球形機器人，屬于機電一體化技術(shù)領(lǐng)域。可用于環(huán)境探測、設(shè)備診斷、軍事偵查、外星探險、家庭娛樂等領(lǐng)域。

背景技術(shù)

球形機器人是一種具有球形外殼，以滾動運動為主要運動方式的智能機器人。它既具有像輪式移動機器人的快速行走能力，又能像腿式機器人一樣，在不平整的復(fù)雜地形中運動，并且運動連續(xù)性強，方向可控性良好，是一種十分理想的運動載體。

第一臺具有真正意義上的球形機器人運動機構(gòu)是由Halme等人于1996年提出來的(參見《Motion?Control?of?A?Spherical?Mobile?robot》，Proceedings?ofAMC’96-MIE，IEEE，1996：259-264)，該運動機構(gòu)在球殼內(nèi)設(shè)置了一個驅(qū)動輪，由電機驅(qū)動其在球殼內(nèi)滾動，通過改變球體的重心實現(xiàn)機器人的直線運動，但缺點是不能改變運動方向。此后，國內(nèi)外不斷出現(xiàn)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》，IEEETransactions?on?Systems，Man，and?Cybernetics，35(4)：1-10；相近的國內(nèi)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(qū)動球殼作直線前后運動，通過驅(qū)動重物左右偏移使球體左右傾轉(zhuǎn)以實現(xiàn)機器人轉(zhuǎn)向。該方案控制簡單，但兩個電機必須分別克服球殼的轉(zhuǎn)動慣量和重物的轉(zhuǎn)動慣量，因而對電機組件的扭矩等要求較高；同時，由于兩個電機分別安裝在主軸上，傳動機構(gòu)相對復(fù)雜，且在同等質(zhì)量下球體重心較高。

申請?zhí)枮?00510011953.9的《全方位運動球形機器人》，在球殼內(nèi)部有一個不與球殼固連的運動機構(gòu)，它通過獨輪滾動裝置在球殼內(nèi)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(gòu)的朝向來實現(xiàn)機器人的全方位運動。該方案結(jié)構(gòu)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(gòu)的自重來保證，因而抗振性能不足；同時，由于球體運動的隨機性，球殼上無固定接口，不能在外部搭載附屬件，在進行充電、維護等工作時必須打開球殼，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(nèi)有一圓環(huán)，兩頭伸出兩根支撐短軸，圓環(huán)上有一電機通過齒輪嚙合帶動圓環(huán)與球殼作相對滾動；圓環(huán)內(nèi)與短軸垂直的方向上放置一根長軸，長軸中心設(shè)有配重塊，圓環(huán)上另一電機通過齒輪嚙合驅(qū)動球殼與配重塊作繞長軸的相對滾動。該方案結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、重心較高，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(xiàn)有的球形機器人方案各有千秋，但大都存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工程實現(xiàn)較難、實用性較低的不足。特別是，有些裝置的轉(zhuǎn)向運動與前進運動耦合，使得球體內(nèi)部驅(qū)動機構(gòu)的狀態(tài)或姿態(tài)不確定，加大了控制難度；球體重心較高，使得爬坡與越障能力不足；無外部固定接口或不能在球殼外搭載附件，造成充電與維護困難，并限制各種環(huán)境探測傳感器和機械手的有效使用，降低了球形機器人的實用性。上述問題在很大程度上限制了球形機器人的推廣應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是：提出一種結(jié)構(gòu)新穎、控制簡單、穩(wěn)定性好、實用性強、具有良好的抗振動和抗沖擊性能，且能全方位運動、可在球殼外搭載附件的球形機器人結(jié)構(gòu)方案，克服現(xiàn)有方案的不足。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：結(jié)構(gòu)簡化的全方位運動球形機器人，由球殼及其內(nèi)部的行走驅(qū)動裝置組成。其中，行走驅(qū)動裝置包括處于豎直狀態(tài)的圓弧架，在其外側(cè)兩邊沿直徑方向?qū)ΨQ固連一對短軸，短軸過球心并經(jīng)軸承與球殼形成轉(zhuǎn)動幅；圓弧架的下方固連一個直線行走機構(gòu)，該機構(gòu)由行走電機、主輪、配重組成，主輪在行走電機的驅(qū)動下沿球殼內(nèi)側(cè)滾動，使球體重心前后移動從而推動球體直線運動；圓弧架的上側(cè)有轉(zhuǎn)向控制機構(gòu)，該機構(gòu)為包含小輪的質(zhì)量小車，質(zhì)量小車在其內(nèi)部電機的驅(qū)動下由小輪帶動沿圓弧架上側(cè)凹槽運動，使球體重心左右偏移從而實現(xiàn)球形機器人的轉(zhuǎn)向控制。

該方案的優(yōu)點是：

1)結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，易于實現(xiàn)；

2)重心遠離球心并始終處于球體下方，因而系統(tǒng)穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快，可實現(xiàn)爬坡、坡面上定點靜止等運動模式；