[发明专利]结构简化的全方位运动球形机器人

说明书

技术领域

本发明涉及一种结构简化的全方位运动球形机器人，属于机电一体化技术领域。可用于环境探测、设备诊断、军事侦查、外星探险、家庭娱乐等领域。

背景技术

球形机器人是一种具有球形外壳，以滚动运动为主要运动方式的智能机器人。它既具有像轮式移动机器人的快速行走能力，又能像腿式机器人一样，在不平整的复杂地形中运动，并且运动连续性强，方向可控性良好，是一种十分理想的运动载体。

第一台具有真正意义上的球形机器人运动机构是由Halme等人于1996年提出来的(参见《Motion Control of A Spherical Mobile robot》，Proceedings ofAMC’96-MIE，IEEE，1996：259-264)，该运动机构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，但两个电机必须分别克服球壳的转动惯量和重物的转动惯量，因而对电机组件的扭矩等要求较高；同时，由于两个电机分别安装在主轴上，传动机构相对复杂，且在同等质量下球体重心较高。

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，由于球体运动的随机性，球壳上无固定接口，不能在外部搭载附属件，在进行充电、维护等工作时必须打开球壳，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，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或姿态不确定，加大了控制难度；球体重心较高，使得爬坡与越障能力不足；无外部固定接口或不能在球壳外搭载附件，造成充电与维护困难，并限制各种环境探测传感器和机械手的有效使用，降低了球形机器人的实用性。上述问题在很大程度上限制了球形机器人的推广应用。

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，且能全方位运动、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：结构简化的全方位运动球形机器人，由球壳及其内部的行走驱动装置组成。其中，行走驱动装置包括处于竖直状态的圆弧架，在其外侧两边沿直径方向对称固连一对短轴，短轴过球心并经轴承与球壳形成转动幅；圆弧架的下方固连一个直线行走机构，该机构由行走电机、主轮、配重组成，主轮在行走电机的驱动下沿球壳内侧滚动，使球体重心前后移动从而推动球体直线运动；圆弧架的上侧有转向控制机构，该机构为包含小轮的质量小车，质量小车在其内部电机的驱动下由小轮带动沿圆弧架上侧凹槽运动，使球体重心左右偏移从而实现球形机器人的转向控制。

该方案的优点是：

1)结构简单，成本较低，易于实现；

2)重心远离球心并始终处于球体下方，因而系统稳定性好、响应速度快，可实现爬坡、坡面上定点静止等运动模式；