[发明专利]一种机械陀螺仪结构球形机器人

说明书

本文公开一种机械陀螺仪结构球形机器人，涉及新型结构球形机器人领域，主要包括球壳，X轴电机，支撑架，Y轴电机和控制板。X轴电机固定在支撑架上，轴端固定在球壳上；Y轴电机固定在控制板上，轴端固定在支撑架上，且保持X轴电机与Y轴电机轴向相互垂直，配重固定在控制板正下方使得球体重心在球的几何中心的下方，静止状态下控制板保持水平状态。当X轴电机单独转动，球壳转动，使得球形机器人前后运动；当Y轴电机转动时，由于重心在控制板的正下方，所以控制板保持水平，此时支撑架在X轴上产生夹角，在运动过程中改变控制板和支撑架的夹角从而改变球体的运动方向和轨迹。本发明成本较低，稳定性好，实用性强，可以实现任意方向的滚动。

技术领域

本发明属于机器人智能控制技术领域，具体涉及的是一种能遥控、有部分自主功能的新型结构球形机器人。

背景技术

球形机器人与轮形移动机器人相比，有其独特的优点。轮形移动机器人易受污染，也不能翻倒且转向会存在死区；由于其惯性不足导致其越过粗糙表面的能力较弱。球形机器人是一种新型结构的滚动行走机器人，是一个全封闭的个体，具有速度快、越野能力好、控制相对简单等特点，越来越受到人们的追捧和重视，逐渐成为国内外机器人智能控制研究领域的重点之一。

1996年芬兰的Halme等人制作了第一台具有真正意义上的球形机器人，该球形机器人的球壳内设计了一套单轮机构驱动球体运动，通过改变球体的重心实现球体的直线运动，但由于单轮驱动的局限性，并不能实现系统的全方位运动。2005年,瑞典的乌普萨拉大学发明出一种两驱动球型机器人。该球形机器人有两个驱动电机，一个驱动长轴绕球的直径方向转动，另一个驱动重物在与长轴的同一平面上摆动。通过这两种运动的合成以达到球形机器人的转弯，但该方式下小球转弯半径很大且并不能够实现全方位的运动。

球形机器人在近十多年来得到众多单位和学者的关注。上海交通大学的金康进等学者提出了一种四驱动的球形机器人：球体内部有4个相互对称的电机，每个电机上配有一个偏心重物，电机驱动带动重块运动改变球体重心从而实现向特定方向的滚动，但由于小球体积过大，运动速度慢，稳定性较差，很难实现球体的平稳运行。南京航空航天大学杨忠等人的发明“全方位运动球形机器人”：主轮在行走电机的驱动下沿球壳内侧滚动，从而驱动球体作直线运动，半圆架上方的质量块和水平杆在其转向电机的驱动下沿圆弧架运动，使球体重心左右偏移，从而实现机器人的转向控制，该结构的机器人利用不完整系统的特点使用2个电机构成不完全的三自由度。由于质量小车沿着圆弧架运动时受到圆弧架转动副的限制，其转向范围小于半球区间，存在运动死角，当球形机器人由于外力的作用翻转到机器人短轴位置时，机器人无法动弹，失去移动功能。

现有球形机器人虽各有其特点，但总体来说结构都很复杂，同时大都存在工程量较大、实用性较低等不足之处。特别是在转向运动与前进运动耦合方面，有些装置如果处理不好，会导致球体内部驱动机构状态不确定，影响球体的实际运动，从而大大增加了控制难度，很多还会存在运动死区，极少能在任意点原地转向，不能进行全方位运动，大大限制了机器人使用的空间，且未见球壳相对地面的原地转向方式；同时很多机器人无外部固定接口或球壳外不能搭载附件，使得在实际使用中调试、充电与维护可能存在困难，限制了各种探测传感器和机械手的使用。

发明内容

本发明的目的是设计一种结构新颖、控制简单、可控性好、实用性强的新型结构球形机器人，克服现有技术方案的不足。

由此本发明的技术方案为：一种机械陀螺仪结构球形机器人，包括球壳1及其内部行走驱动装置；所述行走驱动装置包括X轴电机6、支撑架8、Y轴电机9以及控制板11；

X轴电机6为两台，固定在支撑架8的左右两侧，X轴电机6的轴端固定在球壳1上，构成前后滚动机构；Y轴电机9为两台，固定在控制板11的前后两侧，且Y轴电机9的轴端固定在支撑架8上，保持X轴电机6和Y轴电机9的轴向相互垂直，控制板11的正下方固定有配重12，整个构成转向控制机构；