專利名稱：結(jié)構(gòu)改進(jìn)的球形機(jī)器人全方位行走裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種結(jié)構(gòu)改進(jìn)的球形機(jī)器人全方位行走裝置，屬于非電變量的控制或調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的陸地、水上的運(yùn)載工具(機(jī)器人)的二維行走的控制裝置技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，如果有一種行走機(jī)器人，它既能像輪式機(jī)器人一樣，具有快速行走的性能和較大的承載能力；又能像步行機(jī)器人一樣，適應(yīng)崎嶇不平的地面，將是一種比較理想的機(jī)器人，肯定會在實(shí)際生活中得到廣泛應(yīng)用。球形機(jī)器人就是為了實(shí)現(xiàn)這一目的而開發(fā)設(shè)計的新型機(jī)器人，它具有高速、大承載、道路適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，同時，應(yīng)該結(jié)構(gòu)簡單，控制方便。
然而目前研制出來的球形機(jī)器人尚未達(dá)到這一水平。例如，在美國卡耐基·麥隆大學(xué)(CMU)徐揚(yáng)生教授領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組率先提出了高速度單輪月球探測機(jī)器人的概念，并已經(jīng)開發(fā)了一個單輪穩(wěn)定行走機(jī)器人I型和II型樣機(jī)(參見《A single wheel gyroscopically stabilized robot》，Proceedings of the IEEEInternational Conference on Robotics and Automation，Minneapolis，MN，1996.)。該單輪行走機(jī)器人是用陀螺儀保持其行走中的穩(wěn)定性，其行走機(jī)構(gòu)共使用了4個驅(qū)動電機(jī)。陀螺儀的應(yīng)用使該機(jī)器人在高速和低速行走時都很穩(wěn)定，但是，在靜止時卻無法保持穩(wěn)定。一旦陀螺停止轉(zhuǎn)動，其就會傾倒，而且沒有外人的協(xié)助，就無法重新開始運(yùn)動。另外，該單輪行走機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎半徑較大，也是一個缺點(diǎn)。
在日本，電子通訊大學(xué)的越山篤、山藤和男、吉凝裕三位教授研制出一個球形行走機(jī)器人，該機(jī)器人是采用兩層可轉(zhuǎn)動的陀螺框支架支撐單擺的行走執(zhí)行機(jī)構(gòu)(參見《Development and motion control of the all directionsteering-type robot the 3rd reportprinciple control method and experiment ofsteering of the robot》Proceedings of 10th Japanese Robotics Conference，1992，in Japanese)。該機(jī)器人是在大球外面伸出兩個小的被動輪作為其行走穩(wěn)定機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)全方位穩(wěn)定的行走。但是，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因?yàn)槠渑c地面有三個支撐點(diǎn)，適應(yīng)不平地面的性能較差。
美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)的Sukhan Lee提出一種用內(nèi)部四個活塞來驅(qū)動球體重心，實(shí)現(xiàn)重心的三維移動，從而使球形機(jī)器人行走的方案。這種將活塞運(yùn)動變成重心三維運(yùn)動的機(jī)構(gòu)設(shè)有多個動力驅(qū)動器，其結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。
申請人在2001年5月申請的發(fā)明專利《球形機(jī)器人的全方位行走機(jī)構(gòu)》(申請?zhí)?1118289.X)，是由球形殼體和位于該殼體內(nèi)的行走機(jī)構(gòu)所組成。該球形機(jī)器人的全方位行走機(jī)構(gòu)的基本工作原理是采用圓錐齒輪付和圓柱齒輪付構(gòu)成的齒輪傳動系，通過兼作配重的電機(jī)的電力驅(qū)動，不斷調(diào)節(jié)其重心位置，使其重心永遠(yuǎn)位于球心前方或后方的一段距離，從而產(chǎn)生向前或向后的驅(qū)動力，使該機(jī)器人不斷克服摩擦力而向前或向后滾動。采用同樣的方法，通過調(diào)節(jié)其重心位置向左右兩側(cè)方向偏斜，就可以產(chǎn)生轉(zhuǎn)彎力矩，從而實(shí)現(xiàn)球形機(jī)器人向任意方向—全方位的驅(qū)動行走；且其行走的速度調(diào)節(jié)范圍相當(dāng)大，甚至還可以停止不動地進(jìn)行操作、觀察等工作。理論上講，該裝置可以應(yīng)用于未經(jīng)開發(fā)的崎嶇不平的地面或沼澤、水面等不同情況，執(zhí)行運(yùn)輸、操作、遠(yuǎn)距離觀察或探測等任務(wù)。但是，該機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，自重較沉重；并在傳動鏈中使用了多個錐齒輪，使得其加工工藝復(fù)雜、成本高，且對裝配的垂直精度要求高，限制了該發(fā)明專利申請的推廣應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)改進(jìn)的球形機(jī)器人的全方位行走裝置，該裝置不僅可以克服上述國內(nèi)外現(xiàn)有幾種機(jī)器人的各種缺陷，更能避免申請人《球形機(jī)器人的全方位行走機(jī)構(gòu)》的驅(qū)動機(jī)構(gòu)復(fù)雜、加工裝配技術(shù)要求高、成本昂貴等缺陷；具有結(jié)構(gòu)簡單，自重輕，承載能力大，運(yùn)動速度高，傳動效率高，制造和裝配比較容易和成本低等特點(diǎn)，有利于推廣應(yīng)用。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種結(jié)構(gòu)改進(jìn)的球形機(jī)器人的全方位行走裝置，包括球殼和位于球殼內(nèi)的行走傳動機(jī)構(gòu)，該行走傳動機(jī)構(gòu)包括有一個圓環(huán)，該圓環(huán)的直徑方向設(shè)有向其外側(cè)伸出的兩根支撐短軸，其中一根支撐短軸通過軸承承載在球殼內(nèi)側(cè)的通過球殼球心軸線的一個支撐座上；而在球殼另一側(cè)的另一支撐座上固裝一個減速電機(jī)，該減速電機(jī)的電機(jī)軸通過聯(lián)軸節(jié)與圓環(huán)的另一根支撐短軸相連接，藉此帶動支撐短軸和圓環(huán)一起轉(zhuǎn)動；在圓環(huán)內(nèi)側(cè)、與伸出兩根支撐短軸相垂直的方向上設(shè)有一個底座，一個內(nèi)接長軸通過軸承承載在該底座上；在該內(nèi)接長軸與圓環(huán)相交處安裝有一個減速電機(jī)，該減速電機(jī)的電機(jī)軸伸向圓環(huán)內(nèi)側(cè)，并通過聯(lián)軸節(jié)與該內(nèi)接長軸相連接，藉此帶動內(nèi)接長軸轉(zhuǎn)動；該內(nèi)接長軸的中間滑套上固設(shè)一個與其垂直的短軸，在該短軸的端部固設(shè)有一個配重塊；其特征在于在圓環(huán)上與電機(jī)安裝位置重心相對的地方還固設(shè)有兩個配重塊，該兩個配重塊是蓄電池。
本發(fā)明是結(jié)構(gòu)改進(jìn)的球形機(jī)器人的全方位行走裝置，具有如下優(yōu)點(diǎn)和用途1、該球形機(jī)器人行走裝置的傳動鏈結(jié)構(gòu)簡單、環(huán)節(jié)少，摒棄原來的錐齒輪而采用普通圓柱齒輪傳動，甚至通過減速電機(jī)和聯(lián)軸節(jié)直接驅(qū)動圓環(huán)作左右、前后轉(zhuǎn)動，加工容易，安裝方便，工作可靠，經(jīng)久耐用；本體重量輕，承載能力強(qiáng)，能夠在較大范圍內(nèi)完成遠(yuǎn)距離觀察、操作、實(shí)施營救或運(yùn)輸物資等多項(xiàng)任務(wù)。
2、該球形機(jī)器人行走裝置的配重塊只有兩個，位于球殼的正下方，從而使得該球形機(jī)器人能夠很方便地靜止穩(wěn)定在任意位置上，便于其停車伸出折疊手臂進(jìn)行其他各項(xiàng)操作，例如排雷等。
3、該球形機(jī)器人與地面是點(diǎn)接觸，屬于純滾動摩擦，阻力小，驅(qū)動和轉(zhuǎn)向靈活方便，能夠比較簡便地穿過口徑略大于其直徑的曲折通道。當(dāng)該球形機(jī)器人的直徑足夠大時，可以作為游人的運(yùn)載工具在柔軟的土壤、沙子、雪地上或冰面上旅游，開拓其應(yīng)用場合。
4、本發(fā)明行走裝置具有全方位驅(qū)動行走功能，道路的適應(yīng)性較強(qiáng)，再配合在其內(nèi)設(shè)置的傳感器和地圖信息閱讀器，可以完成長距離運(yùn)輸物資的任務(wù)。有可能成為今后機(jī)器人在坎坷不平的地面上行走的又一理想運(yùn)輸工具，具有一定的市場競爭力。


圖1是本發(fā)明球形機(jī)器人行走裝置的第一種實(shí)施例結(jié)構(gòu)組成示意圖。
圖2是本發(fā)明球形機(jī)器人行走裝置的第二種實(shí)施例結(jié)構(gòu)組成示意圖。
圖3是本發(fā)明球形機(jī)器人行走裝置的第三種實(shí)施例結(jié)構(gòu)組成示意圖。
具體實(shí)施例方式
參見圖1，本發(fā)明是一種改進(jìn)的球形機(jī)器人的全方位行走裝置，包括球殼1和位于球殼內(nèi)的行走傳動機(jī)構(gòu)，該行走傳動機(jī)構(gòu)包括有一個圓環(huán)2，該圓環(huán)2的直徑方向設(shè)有向其外側(cè)伸出的兩根支撐短軸3，該兩根支撐短軸3分別通過軸承4承載在球殼1內(nèi)側(cè)的通過球殼球心軸線的兩個支撐座5上；這兩個支撐座5通過螺栓6固裝在球殼1上。在球殼1一側(cè)的一支撐座5上固裝一個大齒輪21；該圓環(huán)2上安裝有兩個電機(jī)7、8，該兩個電機(jī)7、8是減速電機(jī)或力矩電機(jī)。在圓環(huán)2上與兩個電機(jī)7、8安裝位置重心相對的地方還固設(shè)有兩個配重塊17、18，這兩個配重塊17、18是蓄電池。其中一個電機(jī)7的電機(jī)軸伸向圓環(huán)2外側(cè)，該電機(jī)7軸上安裝一個小齒輪9，該小齒輪9與支撐座5上的大齒輪21相嚙合而帶動其轉(zhuǎn)動；在圓環(huán)2內(nèi)側(cè)、與伸出兩根支撐短軸3相垂直的方向上設(shè)有兩個相對安裝的底座11，一個內(nèi)接長軸12通過軸承承載在該兩個底座11上，兩個相對安裝的底座11通過螺栓10固裝在圓環(huán)2上。該內(nèi)接長軸12的一端側(cè)固裝一個大齒輪13；安裝在圓環(huán)上的另一電機(jī)8的電機(jī)軸伸向圓環(huán)內(nèi)側(cè)，該電機(jī)8軸上的小齒輪14與所述的內(nèi)接長軸12一端側(cè)固裝的大齒輪13相嚙合而帶動其轉(zhuǎn)動；該內(nèi)接長軸12的中間固設(shè)有一個與該內(nèi)接長軸12相垂直的短軸15，在該短軸15的端部固設(shè)有一個配重塊16，該配重塊始終位于球殼的正下方。
在該實(shí)施例結(jié)構(gòu)中，如果電機(jī)8不啟動，電機(jī)7順時針轉(zhuǎn)動，帶動其軸上的小齒輪9也順時針轉(zhuǎn)動，同時帶動與小齒輪9相嚙合的大齒輪21逆時針轉(zhuǎn)動，球形機(jī)器人就向前滾動；而如果電機(jī)7逆時針轉(zhuǎn)動，帶動小齒輪9也逆時針轉(zhuǎn)動，同時帶動與其相嚙合的大齒輪21順時針轉(zhuǎn)動，球形機(jī)器人就向后滾動；如果電機(jī)7不啟動，電機(jī)8順時針轉(zhuǎn)動，帶動其軸上的小齒輪14也順時針轉(zhuǎn)動，同時帶動與小齒輪14相嚙合的大齒輪13逆時針轉(zhuǎn)動，球形機(jī)器人就向左滾動；而如果電機(jī)8逆時針轉(zhuǎn)動，帶動小齒輪14也逆時針轉(zhuǎn)動，同時帶動與小齒輪14相嚙合的大齒輪13順時針轉(zhuǎn)動，球形機(jī)器人就向右滾動。如果電機(jī)7、8同時轉(zhuǎn)動，則該球形機(jī)器人就可做全方位運(yùn)動。
參見圖2所示的本發(fā)明另一種實(shí)施例結(jié)構(gòu)圖。本發(fā)明是一種改進(jìn)的球形機(jī)器人的全方位行走裝置，包括球殼1和位于球殼內(nèi)的行走傳動機(jī)構(gòu)，該行走傳動機(jī)構(gòu)包括有一個圓環(huán)2，該圓環(huán)2的直徑方向設(shè)有向其外側(cè)伸出的兩根支撐短軸3，該兩根支撐短軸3分別通過軸承4承載在球殼1內(nèi)側(cè)的通過球殼球心軸線的兩個支撐座5上；這兩個支撐座5通過螺栓6固裝在球殼1上。在球殼1一側(cè)的一支撐座5上固裝一個大齒輪21；該圓環(huán)2上安裝有一個電機(jī)7，在圓環(huán)2上與電機(jī)7相對的地方設(shè)置有配重塊20，該配重塊20是蓄電池。該電機(jī)7的電機(jī)軸伸向圓環(huán)2外側(cè)，該電機(jī)17軸上安裝一個小齒輪9，該小齒輪9與支撐座5上的大齒輪21相嚙合而帶動其轉(zhuǎn)動。在圓環(huán)2內(nèi)側(cè)、與伸出兩根支撐短軸3相垂直的方向上設(shè)有兩個相對安裝的底座11，一個內(nèi)接長軸12通過軸承承載在該兩個底座11上，兩個相對安裝的底座11通過螺栓10固裝在圓環(huán)2上。該內(nèi)接長軸12的一端側(cè)固裝一個大齒輪13，該內(nèi)接長軸12的中間固設(shè)一個與該內(nèi)接長軸12相垂直的短軸鉸鏈19，在該短軸鉸鏈19上固設(shè)一個與該內(nèi)接長軸12相垂直的短軸，短軸的端部固設(shè)有一個兼作配重的電機(jī)8，該電機(jī)8的電機(jī)軸伸向圓環(huán)2內(nèi)側(cè)，電機(jī)8軸上的小齒輪14與內(nèi)接長軸12一端側(cè)固裝的大齒輪13相嚙合而帶動其轉(zhuǎn)動。這個兼作配重的電機(jī)8同樣始終位于球殼的正下方。另外，上述兩個電機(jī)7、8是減速電機(jī)或力矩電機(jī)。這樣，就形成了另一種結(jié)構(gòu)的球型機(jī)器人行走裝置。
在該實(shí)施例結(jié)構(gòu)中，如果電機(jī)8不啟動，電機(jī)7順時針轉(zhuǎn)動，帶動其軸上的小齒輪9也順時針轉(zhuǎn)動，同時帶動與小齒輪9相嚙合的大齒輪21逆時針轉(zhuǎn)動，球形機(jī)器人就向前滾動；而如果電機(jī)7逆時針轉(zhuǎn)動，帶動小齒輪9也逆時針轉(zhuǎn)動，同時帶動與其相嚙合的大齒輪21順時針轉(zhuǎn)動，球形機(jī)器人就向后滾動；如果電機(jī)7不啟動，電機(jī)8順時針轉(zhuǎn)動，帶動其軸上的小齒輪14也順時針轉(zhuǎn)動，同時帶動與小齒輪14相嚙合的大齒輪13逆時針轉(zhuǎn)動，球形機(jī)器人就向左滾動；而如果電機(jī)8逆時針轉(zhuǎn)動，帶動小齒輪14也逆時針轉(zhuǎn)動，同時帶動與小齒輪14相嚙合的大齒輪13順時針轉(zhuǎn)動，球形機(jī)器人就向右滾動。如果電機(jī)7、8同時轉(zhuǎn)動，則該球形機(jī)器人就可做全方位運(yùn)動。
參見圖3所示的本發(fā)明又一種實(shí)施例結(jié)構(gòu)圖。本發(fā)明是一種改進(jìn)的球形機(jī)器人的全方位行走裝置，包括球殼1和位于球殼內(nèi)的行走傳動機(jī)構(gòu)，該行走傳動機(jī)構(gòu)包括有一個圓環(huán)2，該圓環(huán)的直徑方向設(shè)有向其外側(cè)伸出的兩根支撐短軸3，其中一根支撐短軸3通過軸承4承載在球殼1內(nèi)側(cè)的通過球殼球心軸線的一個支撐座5上；而在球殼1另一側(cè)的另一支撐座5’上固裝一個減速電機(jī)27，這兩個支撐座5、5’分別通過螺栓6固裝在球殼1上。該減速電機(jī)27的電機(jī)軸通過聯(lián)軸節(jié)25與圓環(huán)2的另一根支撐短軸3相連接，藉此帶動該支撐短軸3和圓環(huán)2一起轉(zhuǎn)動。在圓環(huán)2內(nèi)側(cè)、與伸出兩根支撐短軸3相垂直的方向上設(shè)有一個底座11，一個內(nèi)接長軸12通過軸承4’承載在該底座11上，該底座11通過螺栓10固裝在圓環(huán)2上。在該內(nèi)接長軸12的延長端與圓環(huán)2相交處安裝有一個減速電機(jī)28，該減速電機(jī)28的電機(jī)軸伸向圓環(huán)2內(nèi)側(cè)，并通過聯(lián)軸節(jié)26與該內(nèi)接長軸12相連接，藉此帶動內(nèi)接長軸12轉(zhuǎn)動。該內(nèi)接長軸12的中間固設(shè)一個與其垂直的短軸15，在該短軸15的端部固設(shè)有一個配重塊16，該配重塊16始終位于球殼的正下方。在圓環(huán)2上與減速電機(jī)28安裝位置重心相對的地方還固設(shè)有兩個配重塊17、18，該兩個配重塊17、18是蓄電池。這樣，就形成了又一種結(jié)構(gòu)的球型機(jī)器人行走裝置。
在該實(shí)施例結(jié)構(gòu)中，如果電機(jī)28不啟動，電機(jī)27順時針轉(zhuǎn)動，通過聯(lián)軸節(jié)帶動支撐短軸3和圓環(huán)2也順時針轉(zhuǎn)動，球形機(jī)器人就向前滾動；而如果電機(jī)27逆時針轉(zhuǎn)動，電機(jī)28仍不啟動，則帶動支撐短軸3和圓環(huán)2也逆時針轉(zhuǎn)動，球形機(jī)器人就向后滾動。如果電機(jī)27不啟動，電機(jī)28順時針轉(zhuǎn)動，通過聯(lián)軸節(jié)帶動內(nèi)接長軸12也順時針轉(zhuǎn)動，球形機(jī)器人就向右滾動；而如果電機(jī)27不啟動，而電機(jī)28逆時針轉(zhuǎn)動，通過聯(lián)軸節(jié)帶動內(nèi)接長軸12也逆時針轉(zhuǎn)動，球形機(jī)器人就向左滾動。如果電機(jī)27、28同時轉(zhuǎn)動，則該球形機(jī)器人就可做全方位運(yùn)動。
權(quán)利要求
1.一種結(jié)構(gòu)改進(jìn)的球形機(jī)器人的全方位行走裝置，包括球殼和位于球殼內(nèi)的行走傳動機(jī)構(gòu)，該行走傳動機(jī)構(gòu)包括有一個圓環(huán)，該圓環(huán)的直徑方向設(shè)有向其外側(cè)伸出的兩根支撐短軸，其中一根支撐短軸通過軸承承載在球殼內(nèi)側(cè)的通過球殼球心軸線的一個支撐座上；而在球殼另一側(cè)的另一支撐座上固裝一個減速電機(jī)，該減速電機(jī)的電機(jī)軸通過聯(lián)軸節(jié)與圓環(huán)的另一根支撐短軸相連接，藉此帶動支撐短軸和圓環(huán)一起轉(zhuǎn)動；在圓環(huán)內(nèi)側(cè)、與伸出兩根支撐短軸相垂直的方向上設(shè)有一個底座，一個內(nèi)接長軸通過軸承承載在該底座上；在該內(nèi)接長軸與圓環(huán)相交處安裝有一個減速電機(jī)，該減速電機(jī)的電機(jī)軸伸向圓環(huán)內(nèi)側(cè)，并通過聯(lián)軸節(jié)與該內(nèi)接長軸相連接，藉此帶動內(nèi)接長軸轉(zhuǎn)動；該內(nèi)接長軸的中間滑套上固設(shè)一個與其垂直的短軸，在該短軸的端部固設(shè)有一個配重塊；其特征在于在圓環(huán)上與電機(jī)安裝位置重心相對的地方固設(shè)有兩個配重塊，該配重塊是蓄電池。
全文摘要
一種結(jié)構(gòu)改進(jìn)的球形機(jī)器人的全方位行走裝置，包括球殼和行走傳動機(jī)構(gòu)，行走傳動機(jī)構(gòu)包括有一個在直徑方向設(shè)有向外側(cè)伸出兩根支撐短軸的圓環(huán)，其中一根支撐短軸通過軸承承載在球殼內(nèi)側(cè)通過球心軸線的一個支撐座上，另一支撐座上固裝一個減速電機(jī)；該減速電機(jī)的電機(jī)軸通過聯(lián)軸節(jié)連接圓環(huán)的另一根支撐短軸，帶動支撐短軸和圓環(huán)轉(zhuǎn)動；在圓環(huán)內(nèi)側(cè)、與伸出兩根支撐短軸相垂直的方向上有一個底座，一內(nèi)接長軸通過軸承承載在該底座上；在內(nèi)接長軸與圓環(huán)相交處有一個電機(jī)軸伸向圓環(huán)內(nèi)側(cè)而帶動內(nèi)接長軸轉(zhuǎn)動的減速電機(jī)，該內(nèi)接長軸的中間滑套上固設(shè)一個垂直短軸，短軸的端部固設(shè)一配重塊；在圓環(huán)上與電機(jī)安裝位置重心相對的地方固設(shè)有兩個蓄電池配重塊。
文檔編號B25J9/08GK1616257SQ20041009656
公開日2005年5月18日 申請日期2002年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月22日
發(fā)明者孫漢旭, 廖啟征, 徐揚(yáng)生 申請人:北京郵電大學(xué)