[实用新型]全向运动球形机器人

说明书

技术领域

本发明涉及一种全向运动球形机器人，属于机电一体化技术领域，具体涉及一种球形机器人，可用于环境探测、军事侦查、外星探险、家庭娱乐等领域。

背景技术

球形机器人是一种新型结构的滚动行走机器人，具有运动速度快、越野性能好、控制相对简单等特点，逐渐成为国内外智能机器人研究领域的热点之一。第一台真正的球形机器人是芬兰Halme等人在1996年设计的(参见《Motion ControlofA Spherical Mobile robot》，Proceedings of AMC’96-MIE，IEEE，1996：259-264)，他们在球壳内设置了一个驱动轮，由电机驱动其在球壳内滚动，通过改变球体的重心实现机器人的直线运动，但缺点是不能改变运动方向。此后，国内外不断出现各种新的球形机器人装置，其中的几种球形机器人方案颇具代表性。

Roball是Francois Michaud等人于2001年提出的一种球形机器人方案(参见《Autonomous Spherical Mobile Robot for Child Development Studies》，IEEETransactions on Systems，Man，and Cybernetics，35(4)：1-10；相近的国内专利号为01241360.7的实用新型《球形机器人》)，它在过球心的主轴上悬挂重物，通过安装在主轴上的电机驱动球壳作直线前后运动，通过驱动重物左右偏移使球体左右倾转以实现机器人转向。该方案控制简单，但不能静止原地转向，并且两个电机必须分别克服球壳与重物的转动惯量，因而对电机组件的驱动能力要求较高；同时，当主轴伸出球壳外时，必须考虑倾斜转弯可能的触地问题。

申请号为200510011953.9的《全方位运动球形机器人》，在球壳内部有一个不与球壳固连的运动机构，它通过独轮滚动装置在球壳内滚动，推动球体作直线运动，通过改变独轮滚动装置相对支撑机构的朝向来实现机器人的全方位运动。该方案结构简洁，安装方便，但独轮滚动装置与球壳的滚动接触由运动机构的自重来保证，因而抗振性能不足；同时，由于球体滚动的随机性，球壳上无固定接口，不能在外部搭载附属件，因而在充电和维护时必须打开球壳，球体的密封性受到影响。

专利号为02128933.6的《改进的球形机器人全方位行走装置》，在球壳内有一圆环，两头伸出两根支撑短轴，圆环上有一电机通过齿轮啮合带动圆环与球壳作相对滚动；圆环内与短轴垂直的方向上放置一根长轴，长轴中心设有配重块，圆环上另一电机通过齿轮啮合驱动球壳与配重块作绕长轴的相对滚动。该方案结构较复杂、重心较高，不能在任意点原地转向，难以在外部搭载附属件，充电与维护等工作存在难度。

总体看来，现有的球形机器人方案各有千秋，但大都存在着结构复杂、工程实现较难、实用性较低的不足。特别是，有些装置的转向运动与前进运动耦合，使得球体内部驱动机构的状态不确定，加大了控制难度；极少能在任意点原地转向，限制了机器人在狭窄而曲折空间内的使用，且未见球壳相对地面的原地转向方式；无外部固定接口或不能在球壳外搭载附件，造成实际使用中调试、充电与维护困难，同时限制了各种环境探测传感器和机械手的有效使用。

发明内容

本发明的目的是：提出一种结构新颖、控制简单、稳定性好、实用性强、具有良好的抗振动和抗冲击性能，且能全向运动并在任意点原地转向、可在球壳外搭载附件的球形机器人结构方案，克服现有方案的不足。

本发明的技术解决方案是：全向运动球形机器人，由球壳及其内部的行走驱动装置组成。该行走驱动装置包括水平圆环和垂直固连于水平圆环下侧的半圆架；水平圆环沿其直径方向外侧对称固连一对短轴，短轴沿球体直径方向经轴承与球壳形成转动副；半圆架的下方固连一个直线行走机构，该机构由行走电机、主轮和配重组成，主轮在行走电机驱动下沿球壳内侧滚动，通过前后移动球体重心推动球体直线运动；半圆架的上方安装有转向控制机构，该机构由转向电机、水平杆和连接在水平杆两端的质量块组成，水平杆与质量块在转向电机的驱动下绕半圆架的几何中心线转动，引起球壳反向转动从而改变球体的运动方向。

该方案的优点是：

1)驱动机构简洁，重心处于球体的下方，稳定性好、系统响应速度快；

2)两个电机分别驱动球体的直线运动和转向运动，控制方式解耦，可实现球形机器人全向行走和任意点原地转向；