[发明专利]具有双控制模式的质心径向可变三驱动球形机器人

说明书

本发明公开了一种具有双控制模式的质心径向可变三驱动球形机器人，所述机器人包括球壳、驱动电机、重摆和重摆提升系统。其中，球壳与X轴电机转子连接；X、Y、Z轴电机分别安装于各轴框架外表面；重摆提升系统由直线模组、齿轮系统、提升电机和附属电池系统组成。本发明提出的球形机器人通过重摆在重摆提升系统中的移动能够实现球形机器人质心径向变化，使其具备双控制模式，即配重驱动控制模式以及倒立摆驱动控制模式，并且可实现两种控制模式转换，同时也可实现恒定力矩输出情况下球形机器人运行速度与姿态的微调整，满足当前多应用场合下对球形机器人高响应速度和精准控制的需求。

技术领域

本发明涉及一种球形机器人，具体地说是一种具有双控制模式的质心径向可变三驱动球形机器人。

背景技术

当前可移动机器人被广泛用于太空监测、国家防御、环境监测、灾难救援、考古探险、家庭娱乐等方面。传统的移动机器人依靠轮子或履带驱动，这种驱动方式在平坦的路面可以灵活的移动，但是在凹凸不平的路面其运动将受到极大的限制。球形机器人以其特殊的结构对道路的条件要求十分低，因此适应能力强；其运动时与地面为点接触，运动时的摩擦属于滚动摩擦，阻力小，可以灵活的全方位移动。

目前，国内外已经研制出若干种不同结构类型的球形机器人。世界上第一个具有球形外壳的球形机器人是由辛基科技大学的Halme教授在1996年制作的，其运动是靠球壳内安装的一个驱动轮实现，由电机驱动驱动轮在球壳内运动，改变球体的重心进而改变其运动状态。美国特拉华大学的Bhattacharya教授等研制了以两个相互垂直的转子为驱动系统的球形机器人。伊朗的Javadi等学者研制了一台名为“August”的球形机器人，该机器人主要依靠球内安装的四根轮辐上的配重块移动来改变重心的位置，驱动球体运动。上海交通大学的金康进等学者提出了一种新型的结构，即在球形机器人内部安装四个对称的驱动电机，每个驱动电机上安装有配重块，驱动电机的转动带动配重块的运动进而改变球形机器人的重心位置，从而实现球形机器人的全方位滚动。上述所提出的球形机器人采用了两驱动或四驱动的驱动方式。两驱动球形机器人是利用两个驱动电机驱动配重在球内绕两个互相垂直的轴转动，是一个非完整欠驱动机构，使用两个驱动电机降低了成本，欠驱动为结构上带来了简化，但也使运动规划变得复杂。四驱动球形机器人多为轮辐式结构，并且由四个电机共同驱动工作，使用四个电机共同作用使得成本大大增加，并且结构复杂，增加了控制的难度。这两种球形机器人均不具备运动冗余的特点，并且无法实现高速灵活的滚动，以及球形机器人运动的可靠性低。

针对上述两驱动球形机器人和四驱动球形机器人所存在的问题，国内有专家提出了三驱动球形机器人。申请号为200810111880.4的三驱动球形机器人，在两驱动球形机器人的基础上通过球壳内表面的齿环与内部机构边缘的齿轮之间的配合实现第三驱动。由于球壳、齿环与齿轮在加工过程中存在的误差，导致球形机器人在运行过程中内部机构运行不稳定，同时，第三驱动电机的安装位置使电机选择及球形机器人整体机构的平衡设计较难实现。申请号为20111018015.4的三驱动球形机器人，该球形机器人主要由三个驱动电机和大量的齿轮配合通过差速控制实现移动。由于差速控制复杂，不易实现，所以难以满足高响应速度和精准控制方面的需求，同时，三个电机的安装位置难以满足球形机器人整体机构平衡设计的要求。

随着球形机器人高响应速度和精准控制方面的需求不断提升，同时弥补上述三驱动球形机器人存在的多方面不足，需要进一步探索和研究一种具有双控制模式的质心径向可变三驱动球形机器人的设计。

发明内容