專利名稱：球形機(jī)器人的全方位行走機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)器人的行走驅(qū)動(dòng)裝置，確切地說(shuō)，涉及一種球形機(jī)器人的全方位行走機(jī)構(gòu)，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。
目前，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)踐，人類已經(jīng)開發(fā)出兩種類型的行走機(jī)器人，即用輪子滾動(dòng)行走的輪式機(jī)器人和用足行走的步行式機(jī)器人。其中輪式機(jī)器人的穩(wěn)定性與路面的平整度有很大關(guān)系，如果路面高低不平，通常是采用增加輪子的數(shù)量來(lái)增加穩(wěn)定性，并在設(shè)計(jì)中使車的重心盡可能的降低。目前已經(jīng)開發(fā)出帶有4個(gè)、6個(gè)或更多輪子的輪式機(jī)器人，例如前蘇聯(lián)的lunokhodl輪式月球探測(cè)機(jī)器人，美國(guó)的″阿波羅″月球車等都是用輪子行走的機(jī)器人。由多個(gè)輪子共同支持其行走的機(jī)器人車體仍然有可能翻倒，而且由于輪子數(shù)量多，輪子的直徑一般就不會(huì)設(shè)計(jì)得足夠大，這樣其越野能力就受到了限制。用足行走的步行機(jī)器人是另一種可以像人或動(dòng)物那樣在沒(méi)有道路的野外用足行走的智能裝置?，F(xiàn)在，國(guó)內(nèi)外都己研制出二足、四足、六足、八足行走機(jī)器人樣機(jī)，其缺點(diǎn)是這種機(jī)器人的自由度多，控制復(fù)雜，而且，行走速度低，承載能力差。
在目前的情況下，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(huì)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(jì)的新型機(jī)器人，它本應(yīng)具有高速、大承載、道路適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，同時(shí)還要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便。然而目前研制出來(lái)的球形機(jī)器人還達(dá)不到這一水平。例如，在美國(guó)卡耐計(jì)。麥隆大學(xué)(CMU)徐揚(yáng)生教授領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組率先提出了高速度單輪月球探測(cè)機(jī)器人的概念，并已經(jīng)開發(fā)了一個(gè)單輪穩(wěn)定行走機(jī)器人一型和二型樣機(jī)(參見(jiàn)《A single wheel gyroscopically stabilized robot》,Proceedings ofthe IEEE International(Conterence 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(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。采用陀螺儀使該機(jī)器人在高速和低速行走時(shí)都很穩(wěn)定；但是，在靜止時(shí)卻無(wú)法保持穩(wěn)定，一旦陀螺停止轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)器人就會(huì)傾倒，而且沒(méi)有外人的協(xié)助就無(wú)法再開始運(yùn)動(dòng)。另外，該單輪行走機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎半徑較大，也是一個(gè)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(gè)球形行走機(jī)器人，該機(jī)器人是采用兩層可轉(zhuǎn)動(dòng)的陀螺框支架支撐單擺的行走執(zhí)行機(jī)構(gòu)(參見(jiàn)《Development and motion control of the all directionsteering-type robot the 3rd report:principle control method andexperiment of steering of the robot》)Proceedings of 10th JapaneseRobotics Conference,1992,in Japanese)。該機(jī)器人是在大球外伸出兩個(gè)小的被動(dòng)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，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因其與地面有三個(gè)支撐點(diǎn)，適應(yīng)不平地面的性能較差。
美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)的Sukhan Lee提出一種用內(nèi)部四個(gè)活塞來(lái)驅(qū)動(dòng)球體重心，實(shí)現(xiàn)重心的三維移動(dòng)，從而使球形機(jī)器人行走的方案。這種將活塞運(yùn)動(dòng)變成重心三維運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)設(shè)有多個(gè)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器，其結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜。
本發(fā)明的目的是提供一種球形機(jī)器人的全方位行走機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)可以克服上述國(guó)外現(xiàn)有幾種機(jī)器人的不同缺陷，又能避免單輪行走機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜、控制實(shí)現(xiàn)困難等不足，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)元件少，承載能力大，運(yùn)動(dòng)速度高，全方位驅(qū)動(dòng)行走和道路適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，將成為今后機(jī)器人在坎坷不平的地面上行走的理想運(yùn)輸工具，具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種球形機(jī)器人的全方位行走機(jī)構(gòu)，包括有球形殼體和位于該殼體內(nèi)的行走機(jī)構(gòu)，其特征在于該行走機(jī)構(gòu)包括有下列部件上、下兩個(gè)呈一直線狀的支撐軸，其一端分別固設(shè)在該球形殼體最大直徑相對(duì)的內(nèi)側(cè)兩端，另一端則分別支承在位于球形殼體中央的軸承座；一個(gè)連桿軸，其與兩個(gè)支撐軸呈垂直相交地懸空設(shè)置在球形殼體中央，上述軸承座空套在該連桿軸上；兩個(gè)連接板，分別呈相向狀固設(shè)在上述連桿軸的兩端；兩個(gè)兼作配重的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，呈相向狀地分別固設(shè)在上述兩個(gè)連接板的內(nèi)側(cè)，并通過(guò)連桿軸使該兩個(gè)電機(jī)、兩個(gè)連接板構(gòu)成一個(gè)整體；每個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上都固設(shè)有一個(gè)圓柱小齒輪；以及一由圓錐齒輪付和圓柱齒輪付構(gòu)成的齒輪傳動(dòng)系所組成。
上述齒輪傳動(dòng)系包括有兩個(gè)圓柱小齒輪，分別固設(shè)在上述兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上；兩個(gè)圓柱大齒輪，均空套在上述連桿軸上，并與各自的圓柱小齒輪相嚙合，且分別與位于其一側(cè)的一個(gè)同軸空套的圓錐齒輪結(jié)合為一體；三個(gè)圓錐齒輪組成兩個(gè)圓錐齒輪傳動(dòng)付，其中中間一個(gè)圓錐齒輪的輪軸與上述下支撐軸同軸并固結(jié)成為一體，與其相嚙合的另外兩個(gè)圓錐齒輪均空套在上述連桿軸上，且分別與位于其同一側(cè)的圓柱大齒輪結(jié)合為一體。
上述空套在連桿軸上的兩個(gè)圓錐齒輪的直徑相同，齒數(shù)相同，模數(shù)相同。
上述齒輪傳動(dòng)系也可以設(shè)計(jì)為包括兩個(gè)圓柱小齒輪，分別固設(shè)在上述兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上；兩個(gè)圓柱大齒輪，均空套在上述連桿軸上，并與各自的圓柱小齒輪相嚙合，其中一個(gè)與上述軸承座結(jié)合為一體，而另一個(gè)則與一同軸空套的圓錐齒輪結(jié)合為一體；一對(duì)圓錐齒輪組成圓錐齒輪傳動(dòng)付，其中一個(gè)圓錐齒輪的輪軸與上述下支撐軸同軸并結(jié)合為一體，與其相嚙合的另一圓錐齒輪則空套在上述連桿軸上，且與其一側(cè)的圓柱大齒輪結(jié)合為一體。
上述齒輪傳動(dòng)系包括有兩個(gè)圓柱小齒輪，分別固設(shè)在上述兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上；兩個(gè)圓柱齒輪，均空套在上述連桿軸上，并通過(guò)齒型皮帶與各自的圓柱小齒輪相嚙合構(gòu)成齒型皮帶傳動(dòng)，其中一個(gè)與上述軸承座結(jié)合為一體，而另一個(gè)則與一同軸空套的圓錐齒輪結(jié)合為一體；一對(duì)圓錐齒輪組成圓錐齒輪傳動(dòng)付，其中一個(gè)圓錐齒輪的輪軸與上述下支撐軸同軸并結(jié)合為一體，與其相嚙合的另一圓錐齒輪則空套在上述連桿軸上，且與其一側(cè)的圓柱大齒輪結(jié)合為一體。
上述由兩對(duì)圓柱齒輪嚙合傳動(dòng)可以用圓柱齒輪和齒型皮帶構(gòu)成的傳動(dòng)系替代，也可以用鏈輪和鏈條構(gòu)成的傳動(dòng)系所替代，或者用皮帶輪和皮帶構(gòu)成的傳動(dòng)系所替代。
上述空套在連桿軸上的兩個(gè)圓柱大齒輪與另外兩個(gè)圓柱小齒輪的直徑、齒數(shù)、模數(shù)可以相同或不同，因此左右兩側(cè)可以完全對(duì)稱或近似對(duì)稱。
上述左右兩對(duì)圓柱齒輪的直徑、齒數(shù)、模數(shù)可以相同或不同。
上述兩個(gè)兼作配重的驅(qū)動(dòng)電機(jī)也可分別固設(shè)在上述兩個(gè)連接板的外側(cè)，此時(shí)該兩個(gè)電機(jī)通過(guò)前面的法蘭盤鎖固在連接板上，其轉(zhuǎn)軸則從連接板上的通孔伸出，以便安裝圓柱小齒輪。。
上述兩個(gè)兼作配重的驅(qū)動(dòng)電機(jī)也可分別固設(shè)在上述兩個(gè)圓柱小齒輪的內(nèi)側(cè)。
本發(fā)明球形機(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(dòng)系，通過(guò)兼作配重的電機(jī)的電力驅(qū)動(dòng)，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(dòng)力，使該機(jī)器人不斷克服摩擦力而向前或向后滾動(dòng)。采用同樣的方法，通過(guò)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)彎的力矩，從而實(shí)現(xiàn)球形機(jī)器人向任意方向一全方位的驅(qū)動(dòng)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(dòng)地進(jìn)行操作、觀察等工作。理論上講，該機(jī)構(gòu)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，利用機(jī)器人執(zhí)行運(yùn)輸、操作、遠(yuǎn)距離觀察和探測(cè)等任務(wù)，具有很好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
利用本發(fā)明全方位行走機(jī)構(gòu)的機(jī)器人有如下的優(yōu)點(diǎn)和用途1、該球形機(jī)器人本身是個(gè)球體，其行走機(jī)構(gòu)的全部零部件及其運(yùn)動(dòng)構(gòu)件都設(shè)置在球殼之內(nèi)，沒(méi)有導(dǎo)線和其他構(gòu)件暴露在外，工作環(huán)境安全可靠，不會(huì)發(fā)生被障礙物鉤住或掛斷導(dǎo)線的窘?jīng)r，使該機(jī)器人能在惡劣環(huán)境下工作。例如，可在有空氣動(dòng)力干擾的地帶或低重力的月球表面等惡劣的環(huán)境下以較高的速度運(yùn)動(dòng)。
2、當(dāng)給密封的球形機(jī)器人內(nèi)充上比重較輕的氣體后，可以使球體與地面的接觸壓力非常低，其摩擦力也非常小。所以，外殼完全密封的球形機(jī)器人能在沙漠、沼澤、海灘、乃至水面上使用，或者水陸兩用，能夠在大范圍內(nèi)完成遠(yuǎn)距離觀察、操作、實(shí)施營(yíng)救或運(yùn)輸物資等多項(xiàng)任務(wù)。
3、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)行各項(xiàng)工作，例如排雷等。
4、該球形機(jī)器人與地面是點(diǎn)接觸，屬于純滾動(dòng)摩擦，阻力小，驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向靈活方便，且能比較簡(jiǎn)便地穿過(guò)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(shí)，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(chǎng)合。
5、該球形機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)再配合其內(nèi)設(shè)置的傳感器和地圖信息閱讀器可以完成長(zhǎng)距離運(yùn)輸物資的任務(wù)。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的機(jī)構(gòu)組成、特征和功效

圖1是本發(fā)明的第一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)組成示意圖。
圖2是設(shè)置有本發(fā)明第一種實(shí)施例的球形機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成的立體示意圖。
圖3是本發(fā)明的第二種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)組成示意圖。
圖4是本發(fā)明的第三種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)組成示意圖。
參見(jiàn)圖1所示的本發(fā)明--球形機(jī)器人的全方位行走機(jī)構(gòu)--第一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)組成示意圖，其包括有球形殼體1和位于該殼體內(nèi)的行走機(jī)構(gòu)，該行走機(jī)構(gòu)包括有下列部件上、下兩個(gè)呈一直線狀的支撐軸2、3，該支撐軸2、3的一端分別固設(shè)在該球形殼體1最大直徑相對(duì)的內(nèi)側(cè)兩端，另一端則分別支承在位于球形殼體中央的軸承座4；一個(gè)連桿軸5，其與兩個(gè)支撐軸2、3呈垂直相交地懸空設(shè)置在球形殼體中央，上述軸承座4空套在該連桿軸5上；兩個(gè)連接板6、7，分別呈相向狀固設(shè)在上述連桿軸5的兩端；兩個(gè)兼作配重的驅(qū)動(dòng)電機(jī)8(M2)、9(M1)，呈相向狀地分別固設(shè)在上述兩個(gè)連接板6、7的內(nèi)側(cè)(參見(jiàn)圖2)，并通過(guò)連桿軸5使電機(jī)8、9和連接板6、7構(gòu)成一個(gè)整體；兩個(gè)電機(jī)8、9的轉(zhuǎn)軸上還分別固設(shè)有一個(gè)圓柱小齒輪11、10；以及一由圓錐齒輪付和圓柱齒輪付構(gòu)成的齒輪傳動(dòng)系所組成。
本發(fā)明的齒輪傳動(dòng)系可以有不同的實(shí)施方式，參見(jiàn)圖1、圖2所示的結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱的第一實(shí)施例，其包括有兩個(gè)圓柱小齒輪11、10，分別固設(shè)在上述兩個(gè)電機(jī)9、8的轉(zhuǎn)軸上；兩個(gè)圓柱大齒輪12、13，均空套在上述連桿軸5上，并與各自的圓柱小齒輪10、11相嚙合，且分別與位于其同一側(cè)的一個(gè)同軸空套的圓錐齒輪16、15結(jié)合為一體；三個(gè)圓錐齒輪組成兩個(gè)圓錐齒輪傳動(dòng)付，其中一個(gè)圓錐齒輪14的輪軸與上述下支撐軸3同軸并固結(jié)成為一體，與該圓錐齒輪14相嚙合的另外兩個(gè)圓錐齒輪16、15則均空套在上述連桿軸上，且分別與位于其同一側(cè)的圓柱大齒輪12、13結(jié)合為一體。其中，圓柱大齒輪12與13、圓柱小齒輪10與11和圓錐齒輪16與15都可以做成齒數(shù)、模數(shù)相同，直徑大小一樣。而兩個(gè)電機(jī)8、9也可以選擇為重量相同，所以，該實(shí)施例的構(gòu)件可以是左右完全對(duì)稱的。其中左右兩對(duì)圓柱齒輪也可以不對(duì)稱。兩個(gè)電機(jī)8、9可選擇重量大一些，因?yàn)槌俗鳛轵?qū)動(dòng)源以外，還在該機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)，兼作其配重。如果運(yùn)動(dòng)當(dāng)中的阻力較小，該兩個(gè)電機(jī)8、9在球形殼體1內(nèi)的方向可以認(rèn)為是處于鉛垂向下的。雖然在實(shí)際工作狀態(tài)，該兩個(gè)電機(jī)8、9都是稍微向前傾斜，以提供足夠的前進(jìn)力矩。但是為了分析問(wèn)題簡(jiǎn)單，本發(fā)明可以考慮滾動(dòng)阻力很小，該兩個(gè)電機(jī)8、9在運(yùn)動(dòng)時(shí)總是處于垂直向下的鉛垂方向。
本發(fā)明的球形機(jī)器人全方位行走機(jī)構(gòu)的齒輪傳動(dòng)系還可以采用其他的結(jié)構(gòu)方案，參見(jiàn)圖3所示的第二種實(shí)施例，其與第一實(shí)施例的區(qū)別是傳遞互相垂直轉(zhuǎn)動(dòng)的圓錐齒輪傳動(dòng)付中，與下支撐軸3同軸并固結(jié)成為一體的一個(gè)圓錐齒輪14只與一個(gè)圓錐齒輪15相嚙合，該圓錐齒輪15與同一側(cè)的同軸空套的圓柱大齒輪13結(jié)合為一體；而另一側(cè)的圓錐齒輪16則刪去，故該側(cè)的另一個(gè)圓柱大齒輪12是與上述軸承座4結(jié)合為一體。該兩個(gè)圓錐齒輪14、15的齒數(shù)可以是相同的或不同的。這樣，當(dāng)該圓錐齒輪14旋轉(zhuǎn)時(shí)，就使得下支撐軸3也隨之旋轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)球形殼體1也繞下支撐軸3為軸心旋轉(zhuǎn)。
參見(jiàn)圖4所示的本發(fā)明的第三種實(shí)施例的齒輪系結(jié)構(gòu)示意圖，該結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別是用兩個(gè)圓柱齒輪20、19來(lái)替代圓柱大齒輪12、13，以及采用兩條齒形皮帶18、17來(lái)傳遞兩個(gè)電機(jī)9、8的驅(qū)動(dòng)力。其特點(diǎn)是可以減少兩個(gè)圓柱大齒輪12、13的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和加工成本，且齒形皮帶傳動(dòng)可以吸收齒輪傳動(dòng)的振動(dòng)，使傳動(dòng)更加平穩(wěn)，同時(shí)又可保證原先設(shè)定的傳動(dòng)比。誠(chéng)然，本發(fā)明的圓柱齒輪付的傳動(dòng)還可以改用鏈輪和鏈條來(lái)實(shí)現(xiàn)，或者采用皮帶輪和皮帶來(lái)實(shí)現(xiàn)，其運(yùn)動(dòng)原理是相同的。
下面介紹本發(fā)明的幾種運(yùn)動(dòng)方案和其工作原理，首先說(shuō)明運(yùn)動(dòng)方案一參見(jiàn)圖1、圖2所示，假定電機(jī)8是順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)(觀測(cè)者面對(duì)該電機(jī)8的電機(jī)軸時(shí)，下述亦然)，就帶動(dòng)圓柱小齒輪11也順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，并使得與其嚙合的圓柱大齒輪13同時(shí)作反時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，由于大齒輪13與圓錐齒輪15固聯(lián)成為一體，所以圓錐齒輪15就帶動(dòng)圓錐齒輪14轉(zhuǎn)動(dòng)，且該圓錐齒輪14的轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)轫槙r(shí)針(觀測(cè)者位于該紙頁(yè)前面而由上往下面對(duì)該圓錐齒輪14時(shí)；或見(jiàn)圖3，該視圖中圓錐齒輪14作逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，下述亦然)。由于圓錐齒輪14通過(guò)下支撐軸3與球殼1固聯(lián)，所以球殼1最終也逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，即球形機(jī)器人向左滾動(dòng)。需要注意的是，此時(shí)電機(jī)9的轉(zhuǎn)動(dòng)方向應(yīng)是順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)(觀測(cè)者面對(duì)該電機(jī)9的電機(jī)軸時(shí)。下述亦然)。此時(shí)，圓柱小齒輪10也順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，與其嚙合的圓柱大齒輪12則同時(shí)作逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，由于大齒輪12與圓錐齒輪16固聯(lián)成為一體，所以圓錐齒輪16就帶動(dòng)圓錐齒輪14作順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)，支撐軸2、3保持水平狀態(tài)(參見(jiàn)圖2所示)，且支撐軸3隨圓錐齒輪14作順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)球殼1一起作順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，即球形機(jī)器人向左滾動(dòng)。而當(dāng)電機(jī)8和電機(jī)9的轉(zhuǎn)向都與上述相反時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人向右滾動(dòng)，其工作原理相同，不再贅述。
但是，當(dāng)電機(jī)9逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，而電機(jī)8仍是順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，且兩者速度也相同時(shí)，由于與圓柱小齒輪10嚙合的大齒輪12與錐齒輪16固聯(lián)，所以該錐齒輪16就企圖帶動(dòng)錐齒輪14作逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，而錐齒輪15卻是如上所述企圖帶動(dòng)錐齒輪14朝相反方向-順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，由于同時(shí)受到兩個(gè)力量大小相等而方向恰好相反的驅(qū)動(dòng)力矩，造成該錐齒輪14就無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣，在兩個(gè)電機(jī)9、8的驅(qū)動(dòng)下，就會(huì)使得這兩個(gè)小圓柱齒輪10、11與電機(jī)9,8一起，分別繞著與其嚙合的大圓柱齒輪12、13作行星運(yùn)動(dòng)，且這兩個(gè)小圓柱齒輪10、11作行星運(yùn)動(dòng)的方向是相同的。這樣在上述情況下，如果原來(lái)是處于鉛垂向下的兩個(gè)電機(jī)8、9會(huì)使兩個(gè)小圓柱齒輪11、10都向大圓柱齒輪13、12的里側(cè)作行星運(yùn)動(dòng)，而兼作其配重的電機(jī)和兩個(gè)小圓柱齒輪11、10稍微向前旋轉(zhuǎn)一定角度，就會(huì)產(chǎn)生足夠的向前滾動(dòng)的力矩，并最終帶動(dòng)支撐桿2、3和球形殼體1一起向前轉(zhuǎn)動(dòng)。其轉(zhuǎn)動(dòng)方向在圖2上是支撐桿2向下、支撐桿3向上地帶動(dòng)球形殼體1向前滾動(dòng)。誠(chéng)然，當(dāng)電機(jī)8和9都朝著相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，將帶動(dòng)球形殼體1向后滾動(dòng)。
如果希望球形殼體1沿著斜方向滾動(dòng)，則兩個(gè)電機(jī)8、9的轉(zhuǎn)速就應(yīng)該是不相等的。只要這兩個(gè)電機(jī)8、9的轉(zhuǎn)速選擇調(diào)配合適，就可以使該球形機(jī)器人實(shí)現(xiàn)沿著任意方向的滾動(dòng)，也就是實(shí)現(xiàn)全方位的行走。
運(yùn)動(dòng)方案二參見(jiàn)圖3，假定只有電機(jī)8轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)小圓柱齒輪11和大圓柱齒輪13同時(shí)嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)，由于大圓柱齒輪13與圓錐齒輪15固聯(lián)一體，所以圓錐齒輪15轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)圓錐齒輪14轉(zhuǎn)動(dòng)。由于圓錐齒輪14通過(guò)支撐軸3與球殼1固聯(lián)，所以球殼1最終也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。例如電機(jī)8作順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，使齒輪13和錐齒輪15作逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)錐齒輪14作順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，該球形機(jī)器人則向左滾動(dòng)。而電機(jī)8的反向轉(zhuǎn)動(dòng)將會(huì)導(dǎo)致該球形機(jī)器人向右滾動(dòng)。需要注意的是，此時(shí)電機(jī)9并沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)，使支撐軸2、3仍保持水平狀態(tài)。
當(dāng)電機(jī)9作逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，而電機(jī)8作順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，且該兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速相同時(shí)，由于大圓柱齒輪12是與中心軸承座4固聯(lián)結(jié)合為一體，最終也會(huì)帶動(dòng)支撐桿2、3和球形殼體1轉(zhuǎn)動(dòng)。其轉(zhuǎn)動(dòng)方向是使支撐桿2向下、支撐桿3向上地帶動(dòng)球形殼體1向前滾動(dòng)。電機(jī)8、9朝著上述相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)帶動(dòng)球形殼體1向后滾動(dòng)。如果希望球殼沿斜線滾動(dòng)，則兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速就應(yīng)該是不相同的，只要速度選擇合適，就可以實(shí)現(xiàn)沿著任意斜線的滾動(dòng)。
運(yùn)動(dòng)方案三當(dāng)支撐桿2、3處于鎖定的傾斜狀態(tài)時(shí)，由于兩個(gè)電機(jī)8、9仍然保持豎直向下，這時(shí)電機(jī)9的轉(zhuǎn)動(dòng)就會(huì)引起球形殼體1沿著一定的轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)向滾動(dòng)。當(dāng)支撐桿2、3傾斜越厲害時(shí)，轉(zhuǎn)彎半徑就越小，否則轉(zhuǎn)彎半徑就變大。當(dāng)支撐桿水平時(shí)，該球形機(jī)器人直行。
本發(fā)明的其他實(shí)施例的工作原理是基本相同的，在此不再贅述。
本發(fā)明已在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行多次仿真模擬試驗(yàn)，基本實(shí)現(xiàn)了發(fā)明目的，具有很好的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種球形機(jī)器人的全方位行走機(jī)構(gòu)，包括有球形殼體和位于該殼體內(nèi)的行走機(jī)構(gòu)，其特征在于該行走機(jī)構(gòu)包括有下列部件上、下兩個(gè)呈一直線狀的支撐軸，其一端分別固設(shè)在該球形殼體最大直徑相對(duì)的內(nèi)側(cè)兩端，另一端則分別支承在位于球形殼體中央的軸承座；一個(gè)連桿軸，其與兩個(gè)支撐軸呈垂直相交地懸空設(shè)置在球形殼體中央，上述軸承座空套在該連桿軸上；兩個(gè)連接板，分別呈相向狀固設(shè)在上述連桿軸的兩端；兩個(gè)兼作配重的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，呈相向狀地分別固設(shè)在上述兩個(gè)連接板的內(nèi)側(cè)，并通過(guò)連桿軸使該兩個(gè)電機(jī)、兩個(gè)連接板構(gòu)成一個(gè)整體；每個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上都固設(shè)有一個(gè)圓柱小齒輪；以及一由圓錐齒輪付和圓柱齒輪付構(gòu)成的齒輪傳動(dòng)系所組成。
2.如權(quán)利要求1所述的球形機(jī)器人的全方位行走機(jī)構(gòu)，其特征在于上述齒輪傳動(dòng)系包括有兩個(gè)圓柱小齒輪，分別固設(shè)在上述兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上；兩個(gè)圓柱大齒輪，均空套在上述連桿軸上，并與各自的圓柱小齒輪相嚙合，且分別與位于其一側(cè)的一個(gè)同軸空套的圓錐齒輪結(jié)合為一體；三個(gè)圓錐齒輪組成兩個(gè)圓錐齒輪傳動(dòng)付，其中中間一個(gè)圓錐齒輪的輪軸與上述下支撐軸同軸并固結(jié)成為一體，與其相嚙合的另外兩個(gè)圓錐齒輪均空套在上述連桿軸上，且分別與位于其同一側(cè)的圓柱大齒輪結(jié)合為一體。
3.如權(quán)利要求2所述的球形機(jī)器人的全方位行走機(jī)構(gòu)，其特征在于上述空套在連桿軸上的兩個(gè)圓錐齒輪的直徑相同，齒數(shù)相同，模數(shù)相同。
4.如權(quán)利要求1所述的球形機(jī)器人的全方位行走機(jī)構(gòu)，其特征在于上述齒輪傳動(dòng)系包括有兩個(gè)圓柱小齒輪，分別固設(shè)在上述兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上；兩個(gè)圓柱大齒輪，均空套在上述連桿軸上，并與各自的圓柱小齒輪相嚙合，其中一個(gè)與上述軸承座結(jié)合為一體，而另一個(gè)則與一同軸空套的圓錐齒輪結(jié)合為一體；一對(duì)圓錐齒輪組成圓錐齒輪傳動(dòng)付，其中一個(gè)圓錐齒輪的輪軸與上述下支撐軸同軸并結(jié)合為一體，與其相嚙合的另一圓錐齒輪則空套在上述連桿軸上，且與其一側(cè)的圓柱大齒輪結(jié)合為一體。
5.如權(quán)利要求1所述的球形機(jī)器人的全方位行走機(jī)構(gòu)，其特征在于上述齒輪傳動(dòng)系包括有兩個(gè)圓柱小齒輪，分別固設(shè)在上述兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上；兩個(gè)圓柱齒輪，均空套在上述連桿軸上，并通過(guò)齒型皮帶與各自的圓柱小齒輪構(gòu)成齒型皮帶傳動(dòng)，其中一個(gè)與上述軸承座結(jié)合為一體，而另一個(gè)則與一同軸空套的圓錐齒輪結(jié)合為一體；一對(duì)圓錐齒輪組成圓錐齒輪傳動(dòng)付，其中一個(gè)圓錐齒輪的輪軸與上述下支撐軸同軸并結(jié)合為一體，與其相嚙合的另一圓錐齒輪則空套在上述連桿軸上，且與其一側(cè)的圓柱大齒輪結(jié)合為一體。
6.如權(quán)利要求2或4或5所述的球形機(jī)器人的全方位行走機(jī)構(gòu)，其特征在于上述由兩對(duì)圓柱齒輪嚙合傳動(dòng)可以用圓柱齒輪和齒型皮帶構(gòu)成的傳動(dòng)系替代，也可以用鏈輪和鏈條構(gòu)成的傳動(dòng)系所替代，或者用皮帶輪和皮帶構(gòu)成的傳動(dòng)系所替代。
7.如權(quán)利要求2或4所述的球形機(jī)器人的全方位行走機(jī)構(gòu)，其特征在于上述空套在連桿軸上的兩個(gè)圓柱大齒輪與另外兩個(gè)圓柱小齒輪的直徑、齒數(shù)、模數(shù)可以相同或不同，因此左右兩側(cè)可以完全對(duì)稱或近似對(duì)稱。
8.如權(quán)利要求5所述的球形機(jī)器人的全方位行走機(jī)構(gòu)，其特征在于上述左右兩對(duì)圓柱齒輪的直徑、齒數(shù)、模數(shù)可以相同或不同。
9.如權(quán)利要求1所述的球形機(jī)器人的全方位行走機(jī)構(gòu)，其特征在于上述兩個(gè)兼作配重的驅(qū)動(dòng)電機(jī)也可分別固設(shè)在上述兩個(gè)連接板的外側(cè)。
10.如權(quán)利要求1所述的球形機(jī)器人的全方位行走機(jī)構(gòu)，其特征在于上述兩個(gè)兼作配重的驅(qū)動(dòng)電機(jī)也可分別固設(shè)在上述兩個(gè)圓柱小齒輪的內(nèi)側(cè)。
全文摘要
一種球形機(jī)器人的全方位行走機(jī)構(gòu),包括球殼和行走機(jī)構(gòu),行走機(jī)構(gòu)包括有:上、下兩個(gè)呈一直線狀的支撐軸,其一端分別固設(shè)在球殼最大直徑相對(duì)的內(nèi)側(cè)兩端,另一端分別支承在球殼中央的軸承座;一個(gè)連桿軸,貫穿中央軸承座而與兩個(gè)支撐軸呈垂直相交地懸空設(shè)于球殼中央;兩個(gè)連接板,呈相向狀固設(shè)在連桿軸兩端;兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī),呈相向狀地分別固設(shè)在兩連接板的內(nèi)側(cè),并與連桿軸和連接板構(gòu)成一體;每個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)軸都固設(shè)一小圓柱齒輪;以及一由圓錐齒輪副和圓柱齒輪副構(gòu)成的齒輪傳動(dòng)系。
文檔編號(hào)F16G1/00GK1318453SQ01118289
公開日2001年10月24日 申請(qǐng)日期2001年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月28日
發(fā)明者孫漢旭, 廖啟征 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)