[發明專利]雙模式球形機器人機構及行走方法

有效

• 申請號: 201711003637.6
• 申請日: 2017-10-24
• 公開（公告）號: CN107697179B
• 公開（公告）日: 2023-10-27
• 發明（設計）人: 黃用華;莊未;李高明;黃浩;鐘艷如;黃美發;匡兵;孫永厚;鐘永全
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: B62D57/02
• 分類號: B62D57/02
• 代理公司: 桂林市持衡專利商標事務所有限公司 45107
• 代理人: 黃瑋

技術領域

本發明涉及球形機器人機構，具體為一種雙模式球形機器人機構及行走方法。

背景技術

球形機器人比其他運動方式能更靈敏地轉向，球形裝置可迅速調整運行狀態，進行連續工作，具有很強的恢復能力。

根據驅動原理不同，目前球形機器人的驅動方式有兩種驅動方法，第一種是偏心質量驅動方法，第二種是轉子驅動方法。

在利用偏心質量方法驅動的球形機器人中，較有代表性的是北京航空航天大學研制的球形機器人BHQ-2，它通過不斷的調整和改變機器人的重心位置，產生偏心力矩克服摩擦阻力矩使機器人滾動；類似的，北京郵電大學研制的球形機器人BYQ-III，它可以通過內部機構繞水平軸的轉動產生偏心力矩使機器人前后滾動。

偏心質量方法驅動的球形機器人能精準的到達目標位置，但如果起點位置離目標位置遠時，由于該驅動方式適用于低速運動，所花費的時間較多，效率會降低。

在利用轉子方法驅動的球形機器人中，較有代表性的是上海交通大學研制的全對稱球形機器人，它是通過分別調節兩電機的正轉、反轉和起停實現球形機器人的運動。

轉子驅動方法適用于高速轉動，可保證球形機器人快速的到達目標位置附近，效率高，但容易受到干擾，且定位點的穩定性較差，因而不易精準到達目標位置。

現有的球形機器人目前能實現偏心質量驅動模式或轉子驅動模式其中一種，這兩種模式未實現任意切換，因而不易同時實現快速和精準到達目標位置。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明所要解決的技術問題是提出了一種可實現高速轉子模式與低速偏心質量塊模式相互切換的雙模式球形機器人機構及行走方法。

能夠解決上述技術問題的雙模式球形機器人機構，其技術方案包括外球殼以及設于外球殼內的外球殼行走驅動元件，所不同的是所述外球殼行走驅動元件包括同心設于外球殼下半球殼內的半內球殼以及設于外球殼上半球殼內圓周均布的三個正交單排全向輪，所述半內球殼與外球殼之間通過均布的牛眼輪滾動接觸，三個單排全向輪通過對應輪架安裝于半內球殼頂部的支撐板上并與外球殼的內球殼面摩擦接觸，各輪架上設有驅動對應單排全向輪的步進電機以及檢測對應單排全向輪轉動狀態的編碼器；所述半內球殼內的垂直中軸線上設有光柵尺，所述光柵尺上對稱設有質心處于半內球殼中軸線上的配重塊，兩配重塊通過齒輪齒條傳動副在光柵尺上作升降移動，所述配重塊上設有感應光柵尺以檢測配重塊質心與球心重合或偏離的讀數頭。

進一步，所述齒輪齒條傳動副包括設于光柵尺左側面或右側面上的齒條和與齒條嚙合的齒輪，兩配重塊對應于齒輪設于光柵尺的前側和后側，所述齒輪的輪軸兩端安裝于前、后配重塊內側面內，所述讀數頭設于前或后配重塊的內側面上，前、后配重塊的外側面上設有同步驅動齒輪兩端輪軸的伺服電機和外形、質量與伺服電機相同的支撐短軸，所述伺服電機和支撐短軸安裝于框架的前、后架板上，框架的右或左架板與光柵尺的右或左側面之間形成導向滑動副。

再進一步，所述光柵尺的下端安裝于半內球殼的底部，光柵尺的上端穿過支撐板的通口與三個單排全向輪上方的支撐架連接，所述支撐架的三個腳撐分別安裝于對應的輪架上。

更進一步，所述通口開設于支撐板中央拱起的半球形架頂部，各輪架通過對應輪座安裝在半球形架的對應位置上。

為保證球形機器人停止狀態下的穩定性，所述半內球殼上設有當球形機器人停止時使配重塊向下移動至最低位置的復位開關。

上述雙模式球形機器人機構的行走方法，是通過驅動三個單排全向輪和移動配重塊的上、下位置而實現球形機器于人轉子模式和偏心模式間的切換即高速模式與低速模式間的切換，其行走方式為：

1、配重塊移動到使球形機器人質心與球心重合位置時，球形機器人可在三個單排全向輪的高速旋轉驅動下快速行走。

2、配重塊向下移動至使球形機器人質心與球心偏心的位置時，在重力作用下半內球殼產生小角度的擺動，在三個單排全向輪的慢速旋轉驅動下實現球形機器人的低速運動。

3、當球形機器人到達目標位置后，啟動復位開關使配重塊下降到最低位置即使質心降到最低，從而實現球形機器人停止后更加穩定。

本發明的有益效果：

1、本發明通過配重塊的向上調節，當球形機器人質心與外球殼和半內球殼的球心重合時，球形機器人處于高速轉子模式，從而實現了球形機器人高速運動，可快速到達目標位置附近。