一种全方向运动球形机器人

摘要

本发明公开了一种全方向运动球形机器人。该机器人主要由球形外壳、偏心推动装置、运动控制模块组成。其中，偏心推动装置由六个轮辐对称安装在球壳内构成，通过盘式直流伺服电机控制配重块沿导轨做径向运动；运动控制模块通过无线通讯收发指令控制机器人运动；配重块内安装实现机器人自主供电的锂电池。所发明的全方向运动球形机器人通过控制六个轮辐上配重块的位置，改变机器人内部质量分布，使机器人在偏心力矩的作用下实现平面上的全方向滚动。该机器人结构紧凑、运动灵活、对环境适应能力强，可应用于危险环境的探测工作，在军工领域有很强的应用前景。

权利要求

1.一种全方向运动球形机器人，其特征在于，包括球形外壳(1)、设置在球形外壳(1)内的偏心推动装置(2)、以及分别与偏心推动装置(2)和球形外壳(1)内壁固定的运动控制模块(3)，偏心推动装置(2)包括六个轮辐组件，运动控制模块(3)分别与偏心推动装置(2)的六个轮辐靠近球心的一端固定连接，六个轮辐远离球心的一端与球形外壳(1)固定连接；

所述偏心推动装置(2)包括外侧连接板(6)、内侧连接板(14)、以及两端分别与外侧连接板(6)和内侧连接板(14)固定连接的四根圆柱导轨(13)；内侧连接板(14)与滚珠丝杠丝杆(11)通过轴承连接，球形外壳(1)内壁与外侧连接板(6)固定连接，盘式直流伺服电机(4)固定在外侧连接板(6)上，并通过弹性联轴器(15)与丝杆(11)紧固连接；电机驱动器(5)靠近相应的盘式电机(4)固定在球形外壳(1)内壁；配重块(7)中部通口处与滚珠丝杠螺母(12)固定连接，螺母(12)与丝杆(11)构成直线运动装置；配重块(7)外侧与四根圆柱导轨(13)分别构成移动副；配重块(7)内部装有锂电池(8)，内侧安装超声测距传感器(10)，配重块(7)中部具有通孔，可以使得丝杆(11)穿过自由转动。

2.根据权利要求1所述的一种全方向运动球形机器人，其特征在于，球形外壳(1)采用碳纤维和环氧树脂复合材料。

说明书

一种全方向运动球形机器人

技术领域

[0001] 本发明属于移动机器人领域，涉及一种通过质量块偏心分布实现驱动的全方向运动球形机器人。

背景技术

[0002] 移动机器人已经成为机器人研究领域的热点。目前，传统的移动机器人主要移动方式包括：轮式、履带式、轮腿式，技术已十分成熟，然而其转向运动不够灵活，在复杂环境作业时易发生失稳、翻倒等情况。针对传统机器人存在的不足，具有全方向运动的球形机器人作为一种新型运动机器人，运动方式以滚动为主，具有运行稳定、不会发生翻倒，环境适应能力强等诸多优点。拥有以上优势，球形机器人具有以下应用前景：

[0003] 1军事应用

[0004] 球形机器人可以应用于军事方面。它可以搭载用于不同目的的侦察装置深入敌后进行侦察，由于其体积小，经过伪装后不容易被敌方发现。比如可以把一个或多个球形机器人放入河流，沿水流顺流而下就可以完成对这段河流及其沿岸的侦察。如果用其搭载武器，还可以完成各种战斗任务。

[0005] 2工业应用

[0006] 可以在球壳内部安装传感器、测量仪器、摄像头等，使其适合在特殊情况下进行对管道、沟渠、工业现场等环境的探测、监测工作。如果球形机器人具备机械手等执行装置，还可以完成各种执行任务。例如球形机器人可以被放置到一个循环系统中，完成诸如检测、注入试剂和取样的任务。

[0007] 3运输应用

[0008] 当球形机器人的直径足够大时，完全可以作为一种特殊的车辆使用，比如可以作为游人的运载工具在柔软的土壤、沙地或水面上行驶。

[0009] 4面向家庭

[0010] 如今各种智能家电正在逐步进入普通家庭之中，球形机器人外形新颖，具有友好的视觉效果，不怕翻到，转弯灵活，适合在家庭这种特殊而且复杂的环境下工作。可以作为电子管家来对数字家电进行控制，也可以作为电子宠物供人们娱乐，是未来家庭中一个非常得力的好帮手。

[0011] 综上所述，球形机器人作为一种新型移动机器人，所拥有的独特优点和广阔的应用前景，必将使其在工业、民用和军事领域扮演重要角色。

[0012] 球形机器人的驱动原理主要分为转动体驱动与偏移质心驱动两种形式。前者驱动单元与球壳直接接触，通过摩擦力使球壳转动，其结构简单、易于控制，但是转向能力差；后者通过驱动单元的运动改变机器人内部配重块的分布情况，同时驱动单元的运动产生惯性力，机器人在偏心力矩和惯性力矩的作用下运动，其运动更加灵活。

[0013] 从20世纪90年代开始，国内外针对球形机器人展开了广泛的研究。1996年，Aarne Halme等人首次制作了一个支撑在球壳底部的单轮滚动来驱动球壳运动的球形机器人，这个机器人由球壳、控制盒、单轮、操纵杆、支撑轴、弹簧和平衡轮组成。单轮通过固定在操纵杆上的电机驱动，而控制盒内的电机又可以转动操纵杆，从而实现单轮转向。之后，Ferriere等人采用通用轮代替单轮作为内驱动装置同样实现了系统的运动，仅仅是改变了一种方式，在其他方面并没有进一步的改进。

[0014] 1997年，Bicchi等人放置一辆两轮小车于球壳中驱动球壳，每个车轮独立驱动，小车在球体内可以完成前进和转向两种运动，在设计上要求小车质量相对于球壳质量越大越好，但是该机器人实现转向过程过渡时间较长，不够灵活。

[0015] 2002年，伊朗学者Javadi和Mojabi提出一种可全方位运动的球形机器人“August”。该机器人是本着中心对称的原则进行装配的，达到球体的质心和形心重合，其驱动系统是由四个螺丝状的轮辐所构成的，它们安装在一个四面形结构的器件上，由于轮辐彼此之间互成109.47°，给建立控制模型增加了难度。

[0016] 发明专利CN101011984A公开了一种全对称球形机器人，采用了有两个电机直接带动球壳滚动实现直线运动，同时电机又分别驱动两组螺旋传动机构，通过配重块的移动来改变球内部的重心位置以实现转弯。该机器人结构简单，稳定性好，但是无法原地转向，不能实现灵活的全方向滚动。

[0017] 发明专利CN101229832A公开了一种全向运动球形机器人，主轮在行走电机的驱动下沿球壳内侧滚动，通过前后移动球体重心推动球体直线运动，水平杆和质量块在转向电机的驱动下绕半圆架的几何中心线转动，引起球壳反向转动从而改变球体的运动方向。该机器人稳定性好，具有全向运动、原地转向的能力，但是存在轮与球壳间的滑动问题。

[0018] 发明专利CN103895725A公开了一种电磁内部驱动式球形机器人，将四个电磁铁安装在外部弹性球壳与内部刚性球壳之间，铁球自由放置于内部刚性球壳中，通过控制电磁铁装置对铁球产生吸引力改变机器人的质心，在重力驱动下实现机器人的运动。该机器人结构简单可靠，运动稳定灵活，可实现全向运动，但是无法精确控制机器人的运动。

[0019] 总体来说，球形机器人领域已经取得了一些显著的成果。要得到灵活稳定的全方向运动球形机器人，就要设计一种巧妙的内部驱动装置。如何设计简单而有效的驱动装置是当下球形机器人设计和制造中亟待解决的问题之一。

发明内容

[0020] 本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种结构紧凑、运动灵活、对环境适应能力强，可应用于危险环境的探测工作，在军工领域有很强的应用前景的一种全方向运动球形机器人。

[0021] 本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

[0022] 一种全方向运动球形机器人，其特征在于，包括球形外壳、设置在球形外壳内的偏心推动装置、以及分别与偏心推动装置和球形外壳内壁固定的运动控制模块，偏心推动装置包括六个轮辐组件，运动控制模块分别与偏心推动装置的六个轮辐靠近球心的一端固定连接，六个轮辐远离球心的一端与球形外壳固定连接。

[0023] 本发明涉及一种全方向运动球形机器人。该机器人通过控制偏心推动装置的六个轮辐圆柱导轨上配重块的位置，改变机器人内部质量分布，使机器人在偏心力矩的作用下实现平面上的全方向滚动。

[0024] 在上述的一种全方向运动球形机器人，所述偏心推动装置包括外侧连接板、内侧连接板、以及两端分别与外侧连接板和内侧连接板固定连接的四根圆柱导轨；内侧连接板与滚珠丝杠丝杆通过轴承连接，球形外壳内壁与外侧连接板固定连接，盘式直流伺服电机固定在外侧连接板上，并通过弹性联轴器与丝杆紧固连接；电机驱动器靠近相应的盘式电机固定在球形外壳内壁；配重块中部通口处与滚珠丝杠螺母固定连接，螺母与丝杆构成直线运动装置；配重块外侧与四根圆柱导轨分别构成移动副；配重块内部装有锂电池，内侧安装超声测距传感器。

[0025] 在上述的一种全方向运动球形机器人，所述运动控制模块外形为正方体，正方体的六个表面分别与偏心推动装置的六个轮辐靠近球心的一端内侧连接板固定连接，内部安装有控制芯片和无线通讯装置。

[0026] 在上述的一种全方向运动球形机器人，球形外壳采用碳纤维和环氧树脂复合材料。

[0027] 一种全方向运动球形机器人的控制方法，其特征在于，包括：

[0028] 步骤1，偏心推动装置各轮辐上的盘式直流伺服电机带动滚珠丝杠丝杆旋转，通过螺旋传动使滚珠丝杠螺母带动配重块沿圆柱导轨直线移动，六个配重块相对空间位置的调整能够改变球形机器人偏心推动装置的质量分布，通过偏心力矩控制机器人实现全方向灵活运动；

[0029] 步骤2，超声测距传感器,测得配重块与内安装板之间的距离，通过计算获取各个配重块的球内相对分布位置，用于准确计算球形机器人实时重心位置，计算偏心力矩。

[0030] 因此，本发明具有如下优点：1.偏心推动装置各轮辐上的盘式直流伺服电机旋转控制配重块相对于球心的距离，调整机器人内部偏心推动装置的质量分布，通过偏心力矩驱动球形机器人全方向灵活运动；2.六个轮辐相对于球心对称布置，球形机器人工作过程中即使发生碰撞、坠落，也能始终保持工作状态，不需要外力调整；3.各轮辐上装在配重块内侧的超声波测距传感器可实时测量并反馈各轮辐上配重块距离球心的距离，配合机器人内部的陀螺仪，更好的调整和控制机器人运动；4.为整个机器人运动供电的锂电池集成于各轮辐的配重块上，使机器人实现自主供电的同时增加配重块的质量，有利于提高机器人变换运动姿态的灵敏性，缩短过渡时间。

附图说明

[0031] 图1是本发明的全方向运动球形机器人的整体结构外观图。

[0032] 图2是本发明的全方向运动球形机器人的球形外壳外观图。

[0033] 图3是本发明的全方向运动球形机器人的内部偏心推动装置外观图。

[0034] 图4是本发明的全方向运动球形机器人的偏心推动装置单个轮辐结构图。

具体实施方式

[0035] 下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

[0036] 实施例：

[0037] 本发明在整体结构设计方面，提供一种全方向运动球形机器人，如图1所示，包括球形外壳1、偏心推动装置2、运动控制模块3。其中，运动控制模块3外形为正方体，置于球形机器人的球心处，其六个面分别与偏心推动装置2的六个轮辐靠近球心的一端通过螺钉螺母固定连接，六个轮辐远离球心的一端与球形外壳1通过镶嵌式螺钉螺母固定连接，构成完全对称的内部驱动装置，如图2所示。为了增大球形外壳1的强度并减小外壳的质量，外壳的材料选用碳纤维和环氧树脂复合材料。

[0038] 如图3所示为该球形机器人的偏心推动装置单个轮辐结构，包括盘式直流伺服电机4、直流伺服电机驱动器5、外侧连接板6、配重块7、锂电池8、电机轴后编码器9、超声测距传感器10、滚珠丝杠丝杆11、滚珠丝杠螺母12、圆柱导轨13、内侧连接板14、弹性联轴器15。

[0039] 其中，外侧连接板6、内侧连接板14与四根圆柱导轨13通过螺纹紧固件固定连接，内侧连接板14与滚珠丝杠丝杆11靠近球心一端采用轴承配合，保证丝杆11能相对连接板转动；球形外壳1内部具有六处与外侧连接板6固定的底座，在每一处均用螺纹螺孔固定。盘式直流伺服电机4固定在外侧连接板6上，并通过弹性联轴器15与丝杆11紧固连接，电机驱动器5贴近相应的盘式电机4固定在球形外壳1内部，使得每个轮辐上的电机单独控制对应丝杆的转动；配重块7中部具有通孔，可以使得丝杆11穿过自由转动，配重块上通口处安装滚珠丝杠螺母12，螺母12与丝杆11相对转动形成配重块7的直线运动；配重块7外侧边缘与四根圆柱导轨13分别构成移动副，能够限制配重块7绕丝杆11轴线转动的自由度；配重块7内部装有锂电池8，不仅能够增大配重块的质量，有利于提高球形机器人运动控制的灵活性，而且能够解决电池安置在外壳1内部的碰撞问题；为了检测并控制配重块7与内安装板之间14的距离，配重块7面向内安装板14的一侧装有超声测距传感器10。

[0040] 在该全方向球形机器人工作过程中，偏心推动装置2各轮辐上的盘式直流伺服电机4带动滚珠丝杠丝杆11旋转，通过螺旋传动使滚珠丝杠螺母12带动配重块7沿圆柱导轨13直线移动，六个配重块相对空间位置的调整能够改变球形机器人偏心推动装置2的质量分布，通过偏心力矩控制机器人实现全方向灵活运动；配重块7内部嵌有电池，可为机器人中盘式电机的运动供电；超声测距传感器10可测得配重块7与内安装板之间14的距离，通过计算获取各个配重块7的球内相对分布位置，用于准确计算球形机器人实时重心位置，计算偏心力矩。

[0041] 运动控制模块3外形为正方体，其六个表面分别与偏心推动装置2的六个轮辐的内侧连接板14固定连接，内部安装有控制板和无线通讯装置，用于收发上位机的命令控制球形机器人运动。

[0042] 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。