一种球形机器人内驱动装置

摘要

本发明涉及一种球形机器人内驱动装置，该装置包括外壳、中心轴、锥齿轮组、主体支架、电池组支架、电池组、舵机、连杆、驱动电机、电极、塑料垫圈、电路板、第一滚动轴承、第二滚动轴承、舵机轴和电池组盖板。结构新颖、装配简单、实用性强、集成度高。

权利要求

1.一种球形机器人内驱动装置，包括外壳(1)、中心轴(2)、锥齿轮组(3)、主体支架(4)、舵机(7)、连杆(8)、驱动电机(9)、第一滚动轴承(13)、第二滚动轴承(14)和舵机轴(15)，中心轴(2)与外壳(1)直径共线，两端采用螺钉与外壳(1)固定，中心轴(2)的中间设有主体支架(4)；主体支架(4)由左右两部分组成，左主体支架通过第一滚动轴承(13)与中心轴(2)连接，右主体支架通过第二滚动轴承(14)与中心轴(2)连接，左主体支架与右主体支架之间通过六个螺栓连接，第一滚动轴承(13)以中心轴(2)的Φ2段作为轴肩，第二滚动轴承(14)以中心轴(2)的Φ3段作为轴肩；驱动电机(9)固定在主体支架(4)上，通过与锥齿轮组(3)中的一个锥齿轮平键固连，锥齿轮组(3)与中心轴(2)通过平键固连，以中心轴(2)的Φ3段作为轴肩；其特征在于还包括电池组支架(5)、电池组(6)、电极(10)、塑料垫圈(11)、电路板(12)和电池组盖板(16)；两个舵机(7)对称位于驱动电机(9)下面，固定在主体支架(4)上，通过连杆(8)与电池组支架(5)连接，连杆(8)与电池组支架(5)之间采用螺钉连接，舵机轴(15)与连杆(8)之间为内齿轮啮合，电池组(6)置于电池组支架(5)内部，电池组支架(5)上面设有盖板(16)固定电池组(6)，电池组盖板(16)与电池组支架(5)间采用螺钉连接，电池组盖板(16)只封闭3/4，剩余1/4的位置设有电极(10)，电路板(12)通过螺钉连接在电池组支架(5)的底部，在电路板(12)与电池组支架(5)之间加垫塑料垫圈(11)。

2.根据权利要求1所述的一种球形机器人内驱动装置，其特征在于中心轴(2)的直径分布为Φ1＜Φ2＜Φ3。

3.根据权利要求1所述的一种球形机器人内驱动装置，其特征在于电池组(6)选择可充电式锂电池。

4.根据权利要求1所述的一种球形机器人内驱动装置，其特征在于中心轴(2)、主体支架(4)和电池组支架(5)材料均为铝合金。

说明书

一种球形机器人内驱动装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种机器人驱动装置，特别是涉及一种球形机器人内驱动装置，属于机电一体化技术领域。

背景技术

[0002] 球形机器人具有行动灵活、结构简单、运动连续性好以及平衡性强等诸多优点，同时，其机械结构、电子设备完全集成于球壳内部，不受外界不良因素干扰，可应用于军事侦查、设备诊断、地理勘探等复杂任务中，具有轮式、足式机器人无可替代的优势，因此成为国内外机器人研究的热点领域。

[0003] 球形机器人最重要的部分在于驱动装置的设计，其驱动形式分为内驱动与外驱动两种。发明专利《内外驱动兼备的球形机器人装置》（申请号：200810231786.2）设计了一种风能作为外驱动的方式，但该驱动方式要求机器人表面积足够大、质量足够轻，并受到风向与风速的限制，驱动效率较低，只适用于特定环境，难以应用于实践；相比之下，传统的内驱动方式更具有优势，发明专利《万向滚动球形机器人》（申请号201010285063.8）、《全向运动球形机器人》（申请号：200810020297.4）均设计了球形机器人及其内驱动装置，两者共同点是在球壳内添加重块，通过不同的机械结构控制重块调节重心位置来驱动机器人运动，但添加重块无疑增大了机器人负重，再加上电机、电源等元件的重量以及复杂的机械结构，致使机器人的运动效率降低，反应缓慢。同时，以上球形机器人的内部机构均在壳体内部转动，没有稳定的平台来安装摄像头等探测设备。因此，以上种种均限制了它们的实际应用。

发明内容

[0004] 要解决的技术问题

[0005] 为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种结构新颖、装配简单、实用性强、集成度高的球形机器人内驱动装置，使得球形机器人运动速度、传动效率和承载能力更高，降低成本，克服现有方案的不足，使其更有利于推广应用。

[0006] 技术方案

[0007] 一种球形机器人内驱动装置，其特征在于包括外壳1、中心轴2、锥齿轮组3、主体支架4、电池组支架5、电池组6、舵机7、连杆8、驱动电机9、电极10、塑料垫圈11、电路板12、第一滚动轴承13、第二滚动轴承14、舵机轴15和电池组盖板16；中心轴2与外壳1直径共线，两端采用螺钉与外壳1固定，中心轴2的中间设有主体支架4；主体支架4由左右两部分组成，左主体支架通过第一滚动轴承13与中心轴2连接，右主体支架通过第二滚动轴承14与中心轴2连接，左主体支架与右主体支架之间通过六个螺栓连接，第一滚动轴承13以中心轴2的Φ2段作为轴肩，第二滚动轴承14以中心轴2的Φ3段作为轴肩；驱动电机9固定在主体支架4上，通过与锥齿轮组3中的一个锥齿轮平键固连，锥齿轮组3与中心轴2通过平键固连，以中心轴2的Φ3段作为轴肩；两个舵机7对称位于驱动电机9下面，固定在主体支架4上，通过连杆8与电池组支架5连接，连杆8与电池组支架5之间采用螺钉连接，舵机轴15与连杆8之间为内齿轮啮合，电池组6置于电池组支架5内部，电池组支架5上面设有盖板16固定电池组6，电池组盖板16与电池组支架5间采用螺钉连接，电池组盖板16只封闭3/4，剩余1/4的位置设有电极10，电路板12通过螺钉连接在电池组支架5的底部，在电路板12与电池组支架5之间加垫塑料垫圈11。

[0008] 中心轴2的直径分布为Φ1＜Φ2＜Φ3。

[0009] 电池组6选择可充电式锂电池。

[0010] 中心轴2、主体支架4和电池组支架5材料均为铝合金。

[0011] 有益效果

[0012] 本发明提出的一种球形机器人内驱动装置，具有如下优点：

[0013] 1.利用支架将驱动电机、舵机以及电池组集成，代替重块，减轻自身重量，可实现更高的速度和更大的载重量。

[0014] 2.中心轴固定，运动更加可靠，电机仅通过一对啮合锥齿轮传递运动，效率更高，同时，可根据实际需求选择不同的锥齿轮组，调节电机的减速比，两个舵机对称安装，有利于提高整体的稳定性，通过调节电机转速和舵机旋转角度即可改变重心位置，实现机器人的变速和转弯，运动简单可靠。

[0015] 3.电路板固定到电池组支架底部，导线均附着于支架表面，不会妨碍内部机构的运动，两个舵机由同一根信号线控制，可实现同步运动，共同控制电池组的水平位置，电路板上安装有无线模块，可实现外部人为控制。

[0016] 4.在运动稳定后，内驱动机构与地面之间保持相对静止，因此，在内驱动机构上还可以安装摄像头等设备，应用于军事侦察、科研探索等方面。

附图说明

[0017] 图1本发明内驱动装置主视图

[0018] 图2内驱动装置剖视图

[0019] 图3左支架与中心轴连接方式局部示意图

[0020] 图4锥齿轮、右支架与中心轴连接方式局部示意图

[0021] 图5舵机与连杆连接方式局部示意图

[0022] 图6内驱动装置工作方式示意图

[0023] 1-外壳、2-中心轴、3-锥齿轮组、4-主体支架、5-电池组支架、6-电池组、7-舵机、8-连杆、9-驱动电机、10-电极、11-塑料垫圈、12-电路板、13-第一滚动轴承、14-第二滚动轴承、15-舵机轴、16-电池组盖板

具体实施方式

[0024] 一种球形机器人内驱动装置，该装置包括：一个中心轴，该中心轴与球形外壳直径共线，与外壳之间通过螺钉固连，与主体支架之间通过滚动轴承连接，与锥齿轮之间通过平键固连，作为整个内驱动装置的旋转中心；主体支架作为电机和舵机的载体，该支架与中心轴之间通过滚动轴承连接，在电机通电时可带动电机、舵机以及电池组同步运动；驱动电机与一个锥齿轮之间通过平键固连，利用一对啮合锥齿轮传递运动，通过选择不同的锥齿轮组可改变电机的减速比，驱动电机固定在主体支架上，并通过主体支架与中心轴连接，电机通电时，带动整个驱动机构围绕中心轴转动至一定角度，改变重心在竖直面上的位置，推动机器人运动；一个电池组支架，该支架用于固定电池组，保证电池组不动作，其底部安装电路板，舵机动作时，带动电池组和电路板同时运动；电池组固定于电池组支架上，为驱动电机和舵机提供电源，同时起到重块的作用；一对舵机与主体支架固连，与驱动电机相对静止，两舵机对称分布，使球形机器人重心位于过圆心及两者中心线的竖直面上，两者由同一根信号线控制，能够同步动作，通过连杆与电池组支架连接，通电后可带动电池组围绕舵机转动，改变重心在水平方向的位置，实现机器人的转向；一块电路板，作为机器人的控制核心，该电路板利用螺钉安装在电池组支架底部，利用导线与电池组连接实现供电，利用单片机调节电机的转速和舵机的旋转角度，控制机器人姿态，电路板上可安装无线设备，实现外部人为控制。

[0025] 现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

[0026] 如图1所示，内驱动装置总体围绕中心轴2运动，中心轴2与外壳1之间采用螺钉连接，两者保持相对静止。主体支架4由左右两部分组成，两者分别通过滚动轴承13、14与中心轴2连接（如图3、图4所示），中心轴2的直径分布为Φ1＜Φ2＜Φ3，滚动轴承13、14分别以中心轴2的Φ2段和Φ3段作为轴肩，左支架与右支架通过六个螺栓连接，螺栓加垫弹簧垫圈，以保证主体支架4连接紧密，使内部电机9和舵机7不产生移动。电机9和舵机7以主体支架4为载体，驱动电机9固定在主体支架4上，通过与锥齿轮组3中的一个锥齿轮平键固连，电机9通过锥齿轮组3传递运动，通过选择不同的锥齿轮组3可改变电机9的减速比，其中一个锥齿轮固连于中心轴2上，以中心轴2的Φ3段作为轴肩（如图4所示），由于中心轴2及其连接的锥齿轮固定，电机9转动时将带动主体支架4、舵机7、电池组6等部件运动，改变重心位置，进而驱动机器人前进或后退。两个舵机7对称位于驱动电机9下面，固定在主体支架4上，通过连杆8与电池组支架5连接，通过连杆8控制电池组6及电池组支架5转动，以竖直方向为基准，转动角度范围为-90～90，改变重心在水平方向的位置，进而实现机器人转向。两舵机由同一根信号线控制，可实现同步运动。舵机轴15与连杆8之间为内齿轮啮合（如图5所示），连杆8与电池组支架5之间采用螺钉连接，以保证电池组6与连杆8间无相对运动，电池组6放置在支架5内部，利用盖板16固定电池组6，电池组盖板16与支架5间采用螺钉连接，电池组盖板16只封闭3/4，预留出电极10的位置，方便电机9、舵机7以及电路板12的接线。电池组6选择可充电式锂电池。电路板12通过螺钉连接在电池组支架5的底部，两者固连不会影响内部其他机构的运动，同时，为保证电路板不被短路，需加垫塑料垫圈11。为减轻整个装置的重量，中心轴2、主体支架4以及电池组支架5材料均为铝合金。

[0027] 工作时（如图6所示），电机9带动锥齿轮3转动，由于中心轴2固定，整个内驱动装置将围绕中心轴2转至一定角度，改变重心在竖直面（V）上的位置，进而驱动球形机器人运动，通过单片机调节电机9的占空比，可改变电机9的转速和转向；通过单片机也可以调节舵机7的占空比，实现舵机7角度的控制，从而改变重心在水平（H）方向的位置，实现机器人的转向。当机器人总体运转稳定后，整个机构与过中心轴2的竖直面夹角保持不变，内驱动机构向机器人提供稳定的重力势能。同时，电路板12上可安装无线模块，进行外部人工控制。由于所有零部件均集成到内驱动机构上，运动时不用考虑相互之间的干扰，只需调节电机转速和舵机的旋转角度，控制简单可靠。