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1、(10)申请公布号 CN 103963052 A (43)申请公布日 2014.08.06 CN 103963052 A (21)申请号 201410130769.5 (22)申请日 2014.04.02 B25J 9/16(2006.01) B62D 57/02(2006.01) (71)申请人 西北工业大学 地址 710072 陕西省西安市友谊西路 127 号 (72)发明人 胡海豹 杜鹏 鲍路瑶 陈立斌 宋东 郭云鹤 王鹰 (74)专利代理机构 西北工业大学专利中心 61204 代理人 王鲜凯 (54) 发明名称 一种球形机器人内驱动装置 (57) 摘要 本发明涉及一种球形机器人内驱动装。
2、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。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103963052 A CN 103963052 A 1/1 页 2 1. 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） 。
3、、 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。
4、 （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 2段作为轴肩， 第二 滚动轴承 （14） 以中心轴 （2） 的 3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 3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。
5、 （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 1 2 3。 3. 根据权利要求 1 所述的一种球形机器人内驱动装置。
6、， 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。 权 利 要 求 书 CN 103963052 A 2 1/4 页 3 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。
7、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 。
8、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。
9、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。
10、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 2段作为轴肩， 第二滚动轴承 14 以中心轴 2 的 3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 3段作为轴肩 ； 两个舵机 7 对称位于驱动电机 9 下面， 固定 说 明 书 CN 103963052 A 3 2/4 页 4 在主体支架 4 上， 通过连杆 8 与电池组支架 5 连接， 。
11、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 1 2 3。 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。
12、。 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。
13、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。
14、-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。
15、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 说 明 书 CN 103963052 A 4 3/4 页 5 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。
16、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 。
17、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 1 2 3， 滚动轴承 13、 14 分别以中心轴 2 的 2段和 3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 。
18、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 3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。
19、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，。
20、 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。
21、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 说 明 书 CN 103963052 A 5 4/4 页 6 节电机转速和舵机的旋转角度， 控制简单可靠。 说 明 书 CN 103963052 A 6 1/3 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 103963052 A 7 2/3 页 8 图 2 图 3 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 103963052 A 8 3/3 页 9 图 6 说 明 书 附 图 CN 103963052 A 9 。