專利名稱：環(huán)境探測球形機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可用于環(huán)境探測、星球探測及缺少人為干預環(huán)境巡邏的 環(huán)境探測球形機器人系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
球形機器人是一種將運動機構(gòu)和控制器件等包含在一個球形殼體內(nèi)的 系統(tǒng)的總稱。由于這類機器人具有良好的動態(tài)和靜態(tài)平衡性，因此不會因為 碰撞或跌落而產(chǎn)生失穩(wěn)狀態(tài)。同時，由于其機電、傳感和控制部件都包括在 這個球殼之中，因此具有很好的密封性，可以在沙塵、潮濕、腐蝕性的惡劣
環(huán)境中工作。A. Halme, T. Schonberg and 丫. Wang, Motion Control of a Spherical Mobile Robot, 4th IEEE International Workshop on Advanced Motion Control AMC'96， Mie University, Japan 1996.介紹了芬蘭的Aarne Halme設計的一種球形機器人并申請了專利，該球形機器人采用了 一個在球 殼內(nèi)滾動的輪來驅(qū)動整個球形機器人的運動；Antonino Bicchi, Andrea Balluch, etc. Introducing the "SPHERICLE": an experimental testbed for research and teaching in nonholonomy. In: Proceedings of the 1997 IEEE Int. Conf, on Robotics and Automation, Albuquerque, New Mexico, April 1997:2620-2625.介紹了意大利比薩大學的Antonio bicchi等發(fā)明的一種結(jié)
構(gòu)不同的球形機器人，該球形機器人主要是放置一輛小車于球殼中，通過對 小車的控制來實玉見片幾器人的運動；Michaud F. and Theberge-Turmel. Mobile robotic tpys and autism. In Dautenhahn, K.' Bod. A Socially Intelligent Agents Creating Relationships with Computers and Robots. Kluwer Academic, 2002.介紹了力口拿大的Francois Michaud和Serge Caron 研制一個玩具用途的球形機器人，他們通過調(diào)整懸掛在主軸上的重物來實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)向；中國發(fā)明專利申請?zhí)?1118269.X,改進的球形機器人全方 位行走機構(gòu)公開了北京郵電大學孫漢旭教授申請的一個全方位球形機器人 的專利，它是通過球內(nèi)的一個全方位運動機構(gòu)來實現(xiàn)球形機器人的運動。申 請人與合作者也曾申請了一個球形機器人的專利，它是通過電機直接帶動球 殼來前進后退，通過擺動一重物來實現(xiàn)球形機器人的轉(zhuǎn)彎。
球形機器人的一個主要的用途是可以進行探測或觀測，但上述發(fā)明或設 計的球形機器人只追求運動的靈活性，而忽略了具體應用中傳感器等設備的 加裝問題。由于球形機器人只能采用遙控或自主的方式來運動，在這兩種方 式下，如果讓機器人在遠距離或有遮擋的環(huán)境中運動，都需要傳感器的輔助， 如視覺傳感器，遙控者在視覺信息的指引下可以讓球形機器人按著任務的需 要進行合理的動作，同時球形機器人也可以在視覺信息的導引下做一些自主 運動。如果無法為視覺等傳感器提供一個穩(wěn)定的安裝平臺，傳感器會隨著球 形機器人轉(zhuǎn)動，這時傳感器提供的不是某個確定方向的有用環(huán)境信息，而是 不穩(wěn)定的機器人附近的信息，這些信息無法為機器人的運動提供合理的指 導。為了能夠為球形機器人提供合理有效的傳感信息，需要在球形機器人上 為傳感器提供一個不隨機器人轉(zhuǎn)動的安裝位置。 發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，不僅可以提供一種不 隨球殼發(fā)生轉(zhuǎn)動的軸，便于傳感器的安裝和使用，而且具有一套結(jié)構(gòu)與控制 都非常簡單的運動機構(gòu)，可以方便地完成前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等運動功 能的球形機器人。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是環(huán)境探測球形機器人，包括球殼，其特征在 于在球殼的內(nèi)部安裝有一不隨球殼轉(zhuǎn)動的主軸，球殼與主軸之間通過滾動 軸承相連，在主軸前面安裝有運動機構(gòu)，運動機構(gòu)的兩端安裝有兩個輪子， 兩個輪子與球殼呈滾動接觸。當驅(qū)動機構(gòu)的輪子與球殼發(fā)生相對滾動時，驅(qū) 動機構(gòu)可帶動中空軸發(fā)生與球殼的相對轉(zhuǎn)動，此時固定在中空軸上的重塊前后擺動，致使球形機器人的重心發(fā)生偏移，從而實現(xiàn)機器人的前進和后退。 如果驅(qū)動機構(gòu)爬升的同時電機也作旋轉(zhuǎn)，重塊會相對于球形機器人的形心同 時在平面兩個方向發(fā)生偏移，其合成運動會產(chǎn)生一個偏心力矩，致使機器人 向重塊所在的方向偏轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)彎運動。
在本發(fā)明中，當球形機器人運動時可以保證主軸不隨球殼轉(zhuǎn)動，因此可 以在主軸上安裝攝像機等傳感器，而且可以保證在機器人的運動過程中傳感
器不會發(fā)生旋轉(zhuǎn)等運動；本發(fā)明還以簡潔緊湊的方式實現(xiàn)球形機器人的前 進、后退、轉(zhuǎn)彎等運動，而且在運動的規(guī)程中可以保證主軸與地面的相對高 度保持不變。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果
1 、該環(huán)境探測球形機器人利用兩個輪子與球殼內(nèi)表面之間的摩擦力實 現(xiàn)其直線運動并利用重塊的左右偏擺實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎等運動功能，運動機構(gòu)簡單且 控制方便。由于球形機器人的內(nèi)部空間范圍較小，因此簡單的機構(gòu)可以為球 形機器人提供更多的空間，便于安裝傳感器等其他設備；另外，該球形機器 人還具有自主和遙控運動兩種功能，既可以由操縱者根據(jù)反饋圖像遙控球形 機器人運動，也可讓球形機器人根據(jù)圖像信息進行自主運動，可以完成諸如 劇毒氣體檢測、現(xiàn)場環(huán)境觀測及星球探測等多種任務。
2、本發(fā)明不同于以往的專利內(nèi)容主要表現(xiàn)在，該環(huán)境探測球形機器人 可以提供一個不隨球殼轉(zhuǎn)動的主軸，從而可以在該軸上安裝攝像機、傳感器 等設備，進行探測等工作。由于主軸不隨球殼轉(zhuǎn)動且在整個運動空間中主軸 相對于地面是平動，因此安裝在上面的攝像機等傳感器可以具有一個固定的 傳感方向，倘若不能安裝在一個平動的平臺上，則攝像機等傳感器會隨著球 殼轉(zhuǎn)動，從而導致檢測的信息非常雜亂，不便于使用。

圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明的內(nèi)部運動機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式

如前圖所示，本發(fā)明實施方式為在球殼1的內(nèi)部安裝有一不隨球殼1 轉(zhuǎn)動的中空軸5，在其外部可安裝控制設備等，在其內(nèi)部可以安裝用于探測 的傳感器等裝置，球殼1與中空軸5之間通過支撐件2和滾動軸承4相連， 在中空軸5的前面安裝有直線驅(qū)動機構(gòu)，直線驅(qū)動驅(qū)動機構(gòu)通過連接件7 與連接板8與中空軸5相連，直線驅(qū)動機構(gòu)由電機13、 14和兩個輪子9、 12構(gòu)成，在兩個電機13、 14的兩端分別通過齒輪連接兩個輪子9、 12，分 別與球殼呈滾動接觸。當直線驅(qū)動機構(gòu)的輪子9、 12與球殼1發(fā)生相對滾 動時，驅(qū)動機構(gòu)可帶動中空軸5發(fā)生與球殼的相對轉(zhuǎn)動，此時固定在中空軸 上的重塊6前后擺動，致使球形機器人的重心發(fā)生偏移，從而實現(xiàn)機器人的 直線。如果直線驅(qū)動機構(gòu)爬升的同時轉(zhuǎn)向電機15也作旋轉(zhuǎn)，重塊6會相對 于球形機器人的形心同時在平面內(nèi)兩個方向發(fā)生偏移，其合成運動會產(chǎn)生一 個偏心力矩，致使機器人向重塊所在的方向偏轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)彎運 動。
權(quán)利要求1、環(huán)境探測球形機器人，包括球殼，其特征在于由一球形外殼和內(nèi)部的運動機構(gòu)組成，運動機構(gòu)主要由中空軸、電機、驅(qū)動機構(gòu)以及重塊構(gòu)成，中空軸與球殼通過軸承連接，兩者可以發(fā)生相對轉(zhuǎn)動；驅(qū)動機構(gòu)固定在中空軸前側(cè)，其兩個輪子與球殼呈滾動摩擦接觸；電機固定在中空軸后側(cè)，其輸出軸上掛有重塊；當驅(qū)動機構(gòu)的輪子與球殼發(fā)生相對滾動沿球殼內(nèi)壁爬升時，驅(qū)動機構(gòu)可帶動中空軸發(fā)生與球殼的相對轉(zhuǎn)動，此時固定在中空軸上的重塊前后擺動，致使球形機器人的重心發(fā)生偏移，從而實現(xiàn)機器人的直線運動；如果驅(qū)動機構(gòu)爬升的同時電機也作旋轉(zhuǎn)，重塊會相對于球形機器人的形心同時在平面兩個方向發(fā)生偏移，其合成運動會產(chǎn)生一個偏心力矩，致使機器人向重塊所在的方向偏轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)向運動；在球殼內(nèi)部裝有一中空軸，兩端通過軸承與球殼連接，中空軸內(nèi)安裝有傳感器、控制器。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)境探測球形機器人，其特征在于所述的 直線運動機構(gòu)有兩個驅(qū)動電機，兩個輪子，中空軸、以及重塊構(gòu)成，中空軸 通過軸承相對J求殼運動，兩4侖驅(qū)動機構(gòu)固定在中空軸前側(cè)，其兩個輪子與球 殼呈滾動摩擦接觸，轉(zhuǎn)向電機固定在中空軸后側(cè)，其輸出軸上掛有重塊；當 直線驅(qū)動機構(gòu)的輪子相對球殼內(nèi)壁爬升時，中空軸與球殼的相對轉(zhuǎn)動，此時 固定在中空軸上的重塊相對球殼的重心發(fā)生偏移，從而實現(xiàn)機器人的直線運 動。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)境探測球形機器人，其特征在于所述的 直線運動機構(gòu)爬升時驅(qū)動重塊的電機也作旋轉(zhuǎn)，重塊相對于球形機器人的形 心在平面兩個方向發(fā)生偏移，合成發(fā)生一個偏心力矩，使機器人向重塊所在 的方向偏轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)向運動。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)境探測球形機器人，其特征在于所述的 球殼內(nèi)部裝有一中空軸，兩端通過軸承與球殼連接，中空軸內(nèi)安裝有傳感器專利摘要環(huán)境探測球形機器人，將運動機構(gòu)和控制器件等包含在一個球形殼體內(nèi)，通過重心偏移原理來實現(xiàn)整個機器人的運動。運動機構(gòu)主要由中空軸、兩輪式直線驅(qū)動機構(gòu)、重塊轉(zhuǎn)向驅(qū)動機構(gòu)等構(gòu)成。兩輪式直線驅(qū)動機構(gòu)主要包括兩個驅(qū)動電機、兩個驅(qū)動輪等，它利用重心偏移來實現(xiàn)球形機器人的直線運動。重塊轉(zhuǎn)向驅(qū)動機構(gòu)包括驅(qū)動電機和執(zhí)行機構(gòu)，利用重心偏移原理，將重塊偏移角度與直線運動相結(jié)合來實現(xiàn)環(huán)境探測球形機器人的轉(zhuǎn)向運動。直線和轉(zhuǎn)向兩種運動相結(jié)合就可以實現(xiàn)該環(huán)境探測球形機器人任意方位的運動。該環(huán)境探測球形機器人內(nèi)置相對球殼不動的中空軸，提供了安裝傳感器、控制器等的穩(wěn)定平臺；將直線運動機構(gòu)與轉(zhuǎn)向機構(gòu)相結(jié)合，運動形式簡單，運動靈活、機動性強，可用于劇毒氣體檢測、現(xiàn)場環(huán)境觀測及星球探測等多種任務。
文檔編號B25J5/00GK201313307SQ20082017834
公開日2009年9月23日 申請日期2008年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月10日
發(fā)明者叔廣慧, 強 戰(zhàn), 堯 蔡 申請人:強 戰(zhàn)