改进结构的球形机器人全方位行走装置.pdf

一种改进结构的球形机器人的全方位行走装置，包括球壳和行走传动机构，行走传动机构包括有：一个在直径方向设有向其外侧伸出两根支撑短轴的圆环，两根支撑短轴通过轴承承载在球壳内侧通过球壳球心轴线的两个支撑座上，其中一支撑座上固装一个大齿轮；圆环上装有一个电机轴伸向圆环外侧的电机，该电机轴上装有一个与大齿轮互相啮合而带动其前后转动的小齿轮；在圆环内侧、通过轴承承载在两个底座上的内接长轴的一侧和中间分别固装一个大齿轮和一个与该内接长轴相垂直的短轴铰链，短轴铰链的端部固设一个兼作配重的电机，该电机轴上的小齿轮与内接长轴上的大齿轮互相啮合而带动其左右转动；圆环上与电机安装位置重心相对的地方固设有蓄电池配重块。

1、  一种改进结构的球形机器人的全方位行走装置，包括球壳和位于球壳内的行走传动机构，该行走传动机构包括有：一个圆环，该圆环的直径方向设有向其外侧伸出的两根支撑短轴，该两根支撑短轴分别通过轴承承载在球壳内侧的通过球壳球心轴线的两个支撑座上；在球壳一侧的一支撑座上固装一个大齿轮；该圆环上安装一个电机，该电机的电机轴伸向圆环外侧，该电机轴上安装有一个小齿轮，该小齿轮与支撑座上的大齿轮相啮合而带动其转动；在圆环内侧、与伸出两根支撑短轴相垂直的方向上设有两个相对安装的底座，一个内接长轴通过轴承承载在该两个底座上；该内接长轴的一侧固装一个大齿轮；该内接长轴的中间固设一个与该内接长轴相垂直的短轴铰链，在该短轴铰链的端部固设有一个兼作配重的电机，该电机轴上的小齿轮与所述的内接长轴一侧固装的大齿轮相啮合而带动其转动；其特征在于：所述圆环上，在与电机安装位置重心相对的地方固设有一个配重块，该配重块是蓄电池。

2、  根据权利要求1所述的改进结构的球形机器人的全方位行走装置，其特征在于：所述的电机是伺服电机或力矩电机。

3、  根据权利要求1所述的改进结构的球形机器人的全方位行走装置，其特征在于：所述的两个支撑座固装在球壳上，所述的两个相对安装的底座固装在圆环上。

改进结构的球形机器人全方位行走装置
技术领域
本发明涉及一种改进结构的球形机器人全方位行走装置，属于非电变量的控制或调节系统中的陆地、水上的运载工具(机器人)的二维行走的控制装置技术领域。
背景技术
目前，如果有一种行走机器人，它既能像轮式机器人一样，具有快速行走的性能和较大的承载能力；又能像步行机器人一样，适应崎岖不平的地面，将是一种比较理想的机器人，肯定会在实际生活中得到广泛应用。球形机器人就是为了实现这一目的而开发设计的新型机器人，它具有高速、大承载、道路适应性强的特点，同时，应该结构简单，控制方便。
然而目前研制出来的球形机器人尚未达到这一水平。例如，在美国卡耐基·麦隆大学(CMU)徐扬生教授领导的一个研究小组率先提出了高速度单轮月球探测机器人的概念，并已经开发了一个单轮稳定行走机器人I型和II型样机(参见《A single wheel gyroscopically stabilized robot》，Proceedings of the IEEEInternational Conference on Robotics and Automation，Minneapolis，MN，1996.)。该单轮行走机器人是用陀螺仪保持其行走中的稳定性，其行走机构共使用了4个驱动电机。陀螺仪的应用使该机器人在高速和低速行走时都很稳定，但是，在静止时却无法保持稳定。一旦陀螺停止转动，其就会倾倒，而且没有外人的协助，就无法重新开始运动。另外，该单轮行走机器人的转弯半径较大，也是一个缺点。
在日本，电子通讯大学的越山笃、山藤和男、吉凝裕三位教授研制出一个球形行走机器人，该机器人是采用两层可转动的陀螺框支架支撑单摆的行走执行机构(参见《Development and motion control of the all directionsteering-type robot the 3rd report：principle control method and experiment ofsteering of the robot》Proceedings of 10th Japanese Robotics Conference，1992，in Japanese)。该机器人是在大球外面伸出两个小的被动轮作为其行走稳定机构，以实现全方位稳定的行走。但是，其结构复杂，因为其与地面有三个支撑点，适应不平地面的性能较差。
美国喷气推进实验室(JPL)的Sukhan Lee提出一种用内部四个活塞来驱动球体重心，实现重心的三维移动，从而使球形机器人行走的方案。这种将活塞运动变成重心三维运动的机构设有多个动力驱动器，其结构更加复杂。
申请人在2001年5月申请的发明专利《球形机器人的全方位行走机构》(申请号：01118289.X)，是由球形壳体和位于该壳体内的行走机构所组成。该球形机器人的全方位行走机构的基本工作原理是采用圆锥齿轮付和圆柱齿轮付构成的齿轮传动系，通过兼作配重的电机的电力驱动，不断调节其重心位置，使其重心永远位于球心前方或后方的一段距离，从而产生向前或向后的驱动力，使该机器人不断克服摩擦力而向前或向后滚动。采用同样的方法，通过调节其重心位置向左右两侧方向偏斜，就可以产生转弯力矩，从而实现球形机器人向任意方向—全方位的驱动行走；且其行走的速度调节范围相当大，甚至还可以停止不动地进行操作、观察等工作。理论上讲，该装置可以应用于未经开发的崎岖不平的地面或沼泽、水面等不同情况，执行运输、操作、远距离观察或探测等任务。但是，该机构的结构比较复杂，自重较沉重；并在传动链中使用了多个锥齿轮，使得其加工工艺复杂、成本高，且对装配的垂直精度要求高，限制了该发明专利申请的推广应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进结构的球形机器人的全方位行走装置，该装置不仅可以克服上述国内外现有几种机器人的各种缺陷，更能避免申请人《球形机器人的全方位行走机构》的驱动机构复杂、加工装配技术要求高、成本昂贵等缺陷；具有结构简单，自重轻，承载能力大，运动速度高，传动效率高，制造和装配比较容易和成本低等特点，有利于推广应用。
本发明的目的是这样实现的：一种改进结构的球形机器人的全方位行走装置，包括球壳和位于球壳内的行走传动机构，该行走传动机构包括有：一个圆环，该圆环的直径方向设有向其外侧伸出的两根支撑短轴，该两根支撑短轴分别通过轴承承载在球壳内侧的通过球壳球心轴线的两个支撑座上；在球壳一侧的一支撑座上固装一个大齿轮；该圆环上安装一个电机，该电机的电机轴伸向圆环外侧，该电机轴上安装有一个小齿轮，该小齿轮与支撑座上的大齿轮相啮合而带动其转动；在圆环内侧、与伸出两根支撑短轴相垂直的方向上设有两个相对安装的底座，一个内接长轴通过轴承承载在该两个底座上；该内接长轴的一侧固装一个大齿轮；该内接长轴地中间固设一个与该内接长轴相垂直的短轴铰链，在该短轴铰链的端部固设有一个兼作配重的电机，该电机轴上的小齿轮与所述的内接长轴一侧固装的大齿轮相啮合而带动其转动；其特征在于：所述圆环上，在与电机安装位置重心相对的地方固设有一个配重块；该配重块是电池。
所述的电机是伺服电机或力矩电机。
所述的两个支撑座固装在球壳上，所述的两个相对安装的底座固装在圆环上。
本发明是改进结构的球形机器人的全方位行走装置，具有如下优点和用途：
1、该球形机器人行走装置的传动链结构简单、环节少，摒弃原来的锥齿轮而采用普通圆柱齿轮传动，甚至通过减速电机和联轴节直接驱动圆环作左右、前后转动，加工容易，安装方便，工作可靠，经久耐用；本体重量轻，承载能力强，能够在较大范围内完成远距离观察、操作、实施营救或运输物资等多项任务。
2、该球形机器人行走装置的配重块只有一个，位于球壳的正下方，从而使得该球形机器人能够很方便地静止稳定在任意位置上，便于其停车伸出折叠手臂进行其他各项操作，例如排雷等。
3、该球形机器人与地面是点接触，属于纯滚动摩擦，阻力小，驱动和转向灵活方便，能够比较简便地穿过口径略大于其直径的曲折通道。当该球形机器人的直径足够大时，可以作为游人的运载工具在柔软的土壤、沙子、雪地上或冰面上旅游，开拓其应用场合。
4、本发明行走装置具有全方位驱动行走功能，道路的适应性较强，再配合在其内设置的传感器和地图信息阅读器，可以完成长距离运输物资的任务。有可能成为今后机器人在坎坷不平的地面上行走的又一理想运输工具，具有一定的市场竞争力。
图1是本发明球形机器人行走装置的第一种实施例结构组成示意图。
图2是本发明球形机器人行走装置的第二种实施例结构组成示意图。
图3是本发明球形机器人行走装置的第三种实施例结构组成示意图。
参见图1，本发明是一种改进的球形机器人的全方位行走装置，包括球壳1和位于球壳内的行走传动机构，该行走传动机构包括有：一个圆环2，该圆环2的直径方向设有向其外侧伸出的两根支撑短轴3，该两根支撑短轴3分别通过轴承4承载在球壳1内侧的通过球壳球心轴线的两个支撑座5上；这两个支撑座5通过螺栓6固装在球壳1上。在球壳1一侧的一支撑座5上固装一个大齿轮21；该圆环2上安装有两个电机7、8，该两个电机7、8是减速电机或力矩电机。在圆环2上与两个电机7、8安装位置重心相对的地方还固设有两个配重块17、18，这两个配重块17、18是蓄电池。其中一个电机7的电机轴伸向圆环2外侧，该电机7轴上安装一个小齿轮9，该小齿轮9与支撑座5上的大齿轮21相啮合而带动其转动；在圆环2内侧、与伸出两根支撑短轴3相垂直的方向上设有两个相对安装的底座11，一个内接长轴12通过轴承承载在该两个底座11上，两个相对安装的底座11通过螺栓10固装在圆环2上。该内接长轴12的一端侧固装一个大齿轮13；安装在圆环上的另一电机8的电机轴伸向圆环内侧，该电机8轴上的小齿轮14与所述的内接长轴12一端侧固装的大齿轮13相啮合而带动其转动；该内接长轴12的中间固设有一个与该内接长轴12相垂直的短轴15，在该短轴15的端部固设有一个配重块16，该配重块始终位于球壳的正下方。
在该实施例结构中，如果电机8不启动，电机7顺时针转动，带动其轴上的小齿轮9也顺时针转动，同时带动与小齿轮9相啮合的大齿轮21逆时针转动，球形机器人就向前滚动；而如果电机7逆时针转动，带动小齿轮9也逆时针转动，同时带动与其相啮合的大齿轮21顺时针转动，球形机器人就向后滚动；如果电机7不启动，电机8顺时针转动，带动其轴上的小齿轮14也顺时针转动，同时带动与小齿轮14相啮合的大齿轮13逆时针转动，球形机器人就向左滚动；而如果电机8逆时针转动，带动小齿轮14也逆时针转动，同时带动与小齿轮14相啮合的大齿轮13顺时针转动，球形机器人就向右滚动。如果电机7、8同时转动，则该球形机器人就可做全方位运动。
参见图2所示的本发明另一种实施例结构图。本发明是一种改进的球形机器人的全方位行走装置，包括球壳1和位于球壳内的行走传动机构，该行走传动机构包括有：一个圆环2，该圆环2的直径方向设有向其外侧伸出的两根支撑短轴3，该两根支撑短轴3分别通过轴承4承载在球壳1内侧的通过球壳球心轴线的两个支撑座5上；这两个支撑座5通过螺栓6固装在球壳1上。在球壳1一侧的一支撑座5上固装一个大齿轮21；该圆环2上安装有一个电机7，在圆环2上与电机7相对的地方设置有配重块20，该配重块20是蓄电池。该电机7的电机轴伸向圆环2外侧，该电机17轴上安装一个小齿轮9，该小齿轮9与支撑座5上的大齿轮21相啮合而带动其转动。在圆环2内侧、与伸出两根支撑短轴3相垂直的方向上设有两个相对安装的底座11，一个内接长轴12通过轴承承载在该两个底座11上，两个相对安装的底座11通过螺栓10固装在圆环2上。该内接长轴12的一端侧固装一个大齿轮13，该内接长轴12的中间固设一个与该内接长轴12相垂直的短轴铰链19，在该短轴铰链19上固设一个与该内接长轴12相垂直的短轴，短轴的端部固设有一个兼作配重的电机8，该电机8的电机轴伸向圆环2内侧，电机8轴上的小齿轮14与内接长轴12一端侧固装的大齿轮13相啮合而带动其转动。这个兼作配重的电机8同样始终位于球壳的正下方。另外，上述两个电机7、8是减速电机或力矩电机。这样，就形成了另一种结构的球型机器人行走装置。
在该实施例结构中，如果电机8不启动，电机7顺时针转动，带动其轴上的小齿轮9也顺时针转动，同时带动与小齿轮9相啮合的大齿轮21逆时针转动，球形机器人就向前滚动；而如果电机7逆时针转动，带动小齿轮9也逆时针转动，同时带动与其相啮合的大齿轮21顺时针转动，球形机器人就向后滚动；如果电机7不启动，电机8顺时针转动，带动其轴上的小齿轮14也顺时针转动，同时带动与小齿轮14相啮合的大齿轮13逆时针转动，球形机器人就向左滚动；而如果电机8逆时针转动，带动小齿轮14也逆时针转动，同时带动与小齿轮14相啮合的大齿轮13顺时针转动，球形机器人就向右滚动。如果电机7、8同时转动，则该球形机器人就可做全方位运动。
参见图3所示的本发明又一种实施例结构图。本发明是一种改进的球形机器人的全方位行走装置，包括球壳1和位于球壳内的行走传动机构，该行走传动机构包括有：一个圆环2，该圆环的直径方向设有向其外侧伸出的两根支撑短轴3，其中一根支撑短轴3通过轴承4承载在球壳1内侧的通过球壳球心轴线的一个支撑座5上；而在球壳1另一侧的另一支撑座5’上固装一个减速电机27，这两个支撑座5、5’分别通过螺栓6固装在球壳1上。该减速电机27的电机轴通过联轴节25与圆环2的另一根支撑短轴3相连接，藉此带动该支撑短轴3和圆环2一起转动。在圆环2内侧、与伸出两根支撑短轴3相垂直的方向上设有一个底座11，一个内接长轴12通过轴承4’承载在该底座11上，该底座11通过螺栓10固装在圆环2上。在该内接长轴12的延长端与圆环2相交处安装有一个减速电机28，该减速电机28的电机轴伸向圆环2内侧，并通过联轴节26与该内接长轴12相连接，藉此带动内接长轴12转动。该内接长轴12的中间固设一个与其垂直的短轴15，在该短轴15的端部固设有一个配重块16，该配重块16始终位于球壳的正下方。在圆环2上与减速电机28安装位置重心相对的地方还固设有两个配重块17、18，该两个配重块17、18是蓄电池。这样，就形成了又一种结构的球型机器人行走装置。
在该实施例结构中，如果电机28不启动，电机27顺时针转动，通过联轴节带动支撑短轴3和圆环2也顺时针转动，球形机器人就向前滚动；而如果电机27逆时针转动，电机28仍不启动，则带动支撑短轴3和圆环2也逆时针转动，球形机器人就向后滚动。如果电机27不启动，电机28顺时针转动，通过联轴节带动内接长轴12也顺时针转动，球形机器人就向右滚动；而如果电机27不启动，而电机28逆时针转动，通过联轴节带动内接长轴12也逆时针转动，球形机器人就向左滚动。如果电机27、28同时转动，则该球形机器人就可做全方位运动。