專(zhuān)利名稱(chēng)：環(huán)境探測(cè)球形機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可用于環(huán)境探測(cè)、星球探測(cè)及缺少人為干預(yù)環(huán)境巡邏的 環(huán)境探測(cè)球形機(jī)器人系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
球形機(jī)器人是一種將運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制器件等包含在一個(gè)球形殼體內(nèi)的 系統(tǒng)的總稱(chēng)。由于這類(lèi)機(jī)器人具有良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)平衡性，因此不會(huì)因?yàn)?碰撞或跌落而產(chǎn)生失穩(wěn)狀態(tài)。同時(shí)，由于其機(jī)電、傳感和控制部件都包括在 這個(gè)球殼之中，因此具有很好的密封性，可以在沙塵、潮濕、腐蝕性的惡劣
環(huán)境中工作。A. Halme, T. Schonberg and 丫. Wang, Motion Control of a Spherical Mobile Robot, 4th IEEE International Workshop on Advanced Motion Control AMC'96， Mie University, Japan 1996.介紹了芬蘭的Aarne Halme設(shè)計(jì)的一種球形機(jī)器人并申請(qǐng)了專(zhuān)利，該球形機(jī)器人采用了 一個(gè)在球 殼內(nèi)滾動(dòng)的輪來(lái)驅(qū)動(dòng)整個(gè)球形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)；Antonino Bicchi, Andrea Balluch, etc. Introducing the "SPHERICLE": an experimental testbed for research and teaching in nonholonomy. In: Proceedings of the 1997 IEEE Int. Conf, on Robotics and Automation, Albuquerque, New Mexico, April 1997:2620-2625.介紹了意大利比薩大學(xué)的Antonio bicchi等發(fā)明的一種結(jié)
構(gòu)不同的球形機(jī)器人，該球形機(jī)器人主要是放置一輛小車(chē)于球殼中，通過(guò)對(duì) 小車(chē)的控制來(lái)實(shí)玉見(jiàn)片幾器人的運(yùn)動(dòng)；Michaud F. and Theberge-Turmel. Mobile robotic tpys and autism. In Dautenhahn, K.' Bod. A Socially Intelligent Agents Creating Relationships with Computers and Robots. Kluwer Academic, 2002.介紹了力口拿大的Francois Michaud和Serge Caron 研制一個(gè)玩具用途的球形機(jī)器人，他們通過(guò)調(diào)整懸掛在主軸上的重物來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向；中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?1118269.X,改進(jìn)的球形機(jī)器人全方 位行走機(jī)構(gòu)公開(kāi)了北京郵電大學(xué)孫漢旭教授申請(qǐng)的一個(gè)全方位球形機(jī)器人 的專(zhuān)利，它是通過(guò)球內(nèi)的一個(gè)全方位運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)球形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。申 請(qǐng)人與合作者也曾申請(qǐng)了一個(gè)球形機(jī)器人的專(zhuān)利，它是通過(guò)電機(jī)直接帶動(dòng)球 殼來(lái)前進(jìn)后退，通過(guò)擺動(dòng)一重物來(lái)實(shí)現(xiàn)球形機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎。
球形機(jī)器人的一個(gè)主要的用途是可以進(jìn)行探測(cè)或觀(guān)測(cè)，但上述發(fā)明或設(shè) 計(jì)的球形機(jī)器人只追求運(yùn)動(dòng)的靈活性，而忽略了具體應(yīng)用中傳感器等設(shè)備的 加裝問(wèn)題。由于球形機(jī)器人只能采用遙控或自主的方式來(lái)運(yùn)動(dòng)，在這兩種方 式下，如果讓機(jī)器人在遠(yuǎn)距離或有遮擋的環(huán)境中運(yùn)動(dòng)，都需要傳感器的輔助， 如視覺(jué)傳感器，遙控者在視覺(jué)信息的指引下可以讓球形機(jī)器人按著任務(wù)的需 要進(jìn)行合理的動(dòng)作，同時(shí)球形機(jī)器人也可以在視覺(jué)信息的導(dǎo)引下做一些自主 運(yùn)動(dòng)。如果無(wú)法為視覺(jué)等傳感器提供一個(gè)穩(wěn)定的安裝平臺(tái)，傳感器會(huì)隨著球 形機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)傳感器提供的不是某個(gè)確定方向的有用環(huán)境信息，而是 不穩(wěn)定的機(jī)器人附近的信息，這些信息無(wú)法為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)提供合理的指 導(dǎo)。為了能夠?yàn)榍蛐螜C(jī)器人提供合理有效的傳感信息，需要在球形機(jī)器人上 為傳感器提供一個(gè)不隨機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)的安裝位置。 發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，不僅可以提供一種不 隨球殼發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的軸，便于傳感器的安裝和使用，而且具有一套結(jié)構(gòu)與控制 都非常簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以方便地完成前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)功 能的球形機(jī)器人。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是環(huán)境探測(cè)球形機(jī)器人，包括球殼，其特征在 于在球殼的內(nèi)部安裝有一不隨球殼轉(zhuǎn)動(dòng)的主軸，球殼與主軸之間通過(guò)滾動(dòng) 軸承相連，在主軸前面安裝有運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的兩端安裝有兩個(gè)輪子， 兩個(gè)輪子與球殼呈滾動(dòng)接觸。當(dāng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的輪子與球殼發(fā)生相對(duì)滾動(dòng)時(shí)，驅(qū) 動(dòng)機(jī)構(gòu)可帶動(dòng)中空軸發(fā)生與球殼的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)固定在中空軸上的重塊前后擺動(dòng)，致使球形機(jī)器人的重心發(fā)生偏移，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)和后退。 如果驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)爬升的同時(shí)電機(jī)也作旋轉(zhuǎn)，重塊會(huì)相對(duì)于球形機(jī)器人的形心同 時(shí)在平面兩個(gè)方向發(fā)生偏移，其合成運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)偏心力矩，致使機(jī)器人 向重塊所在的方向偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。
在本發(fā)明中，當(dāng)球形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)可以保證主軸不隨球殼轉(zhuǎn)動(dòng)，因此可 以在主軸上安裝攝像機(jī)等傳感器，而且可以保證在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中傳感
器不會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)；本發(fā)明還以簡(jiǎn)潔緊湊的方式實(shí)現(xiàn)球形機(jī)器人的前 進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等運(yùn)動(dòng)，而且在運(yùn)動(dòng)的規(guī)程中可以保證主軸與地面的相對(duì)高 度保持不變。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果
1 、該環(huán)境探測(cè)球形機(jī)器人利用兩個(gè)輪子與球殼內(nèi)表面之間的摩擦力實(shí) 現(xiàn)其直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)并利用重塊的左右偏擺實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎等運(yùn)動(dòng)功能，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單且 控制方便。由于球形機(jī)器人的內(nèi)部空間范圍較小，因此簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)可以為球 形機(jī)器人提供更多的空間，便于安裝傳感器等其他設(shè)備；另外，該球形機(jī)器 人還具有自主和遙控運(yùn)動(dòng)兩種功能，既可以由操縱者根據(jù)反饋圖像遙控球形 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，也可讓球形機(jī)器人根據(jù)圖像信息進(jìn)行自主運(yùn)動(dòng)，可以完成諸如 劇毒氣體檢測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境觀(guān)測(cè)及星球探測(cè)等多種任務(wù)。
2、本發(fā)明不同于以往的專(zhuān)利內(nèi)容主要表現(xiàn)在，該環(huán)境探測(cè)球形機(jī)器人 可以提供一個(gè)不隨球殼轉(zhuǎn)動(dòng)的主軸，從而可以在該軸上安裝攝像機(jī)、傳感器 等設(shè)備，進(jìn)行探測(cè)等工作。由于主軸不隨球殼轉(zhuǎn)動(dòng)且在整個(gè)運(yùn)動(dòng)空間中主軸 相對(duì)于地面是平動(dòng)，因此安裝在上面的攝像機(jī)等傳感器可以具有一個(gè)固定的 傳感方向，倘若不能安裝在一個(gè)平動(dòng)的平臺(tái)上，則攝像機(jī)等傳感器會(huì)隨著球 殼轉(zhuǎn)動(dòng)，從而導(dǎo)致檢測(cè)的信息非常雜亂，不便于使用。

圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式

如前圖所示，本發(fā)明實(shí)施方式為在球殼1的內(nèi)部安裝有一不隨球殼1 轉(zhuǎn)動(dòng)的中空軸5，在其外部可安裝控制設(shè)備等，在其內(nèi)部可以安裝用于探測(cè) 的傳感器等裝置，球殼1與中空軸5之間通過(guò)支撐件2和滾動(dòng)軸承4相連， 在中空軸5的前面安裝有直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)連接件7 與連接板8與中空軸5相連，直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由電機(jī)13、 14和兩個(gè)輪子9、 12構(gòu)成，在兩個(gè)電機(jī)13、 14的兩端分別通過(guò)齒輪連接兩個(gè)輪子9、 12，分 別與球殼呈滾動(dòng)接觸。當(dāng)直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的輪子9、 12與球殼1發(fā)生相對(duì)滾 動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可帶動(dòng)中空軸5發(fā)生與球殼的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)固定在中空軸 上的重塊6前后擺動(dòng)，致使球形機(jī)器人的重心發(fā)生偏移，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的 直線(xiàn)。如果直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)爬升的同時(shí)轉(zhuǎn)向電機(jī)15也作旋轉(zhuǎn)，重塊6會(huì)相對(duì) 于球形機(jī)器人的形心同時(shí)在平面內(nèi)兩個(gè)方向發(fā)生偏移，其合成運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一 個(gè)偏心力矩，致使機(jī)器人向重塊所在的方向偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎運(yùn) 動(dòng)。
權(quán)利要求1、環(huán)境探測(cè)球形機(jī)器人，包括球殼，其特征在于由一球形外殼和內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由中空軸、電機(jī)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及重塊構(gòu)成，中空軸與球殼通過(guò)軸承連接，兩者可以發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)固定在中空軸前側(cè)，其兩個(gè)輪子與球殼呈滾動(dòng)摩擦接觸；電機(jī)固定在中空軸后側(cè)，其輸出軸上掛有重塊；當(dāng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的輪子與球殼發(fā)生相對(duì)滾動(dòng)沿球殼內(nèi)壁爬升時(shí)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可帶動(dòng)中空軸發(fā)生與球殼的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)固定在中空軸上的重塊前后擺動(dòng)，致使球形機(jī)器人的重心發(fā)生偏移，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)；如果驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)爬升的同時(shí)電機(jī)也作旋轉(zhuǎn)，重塊會(huì)相對(duì)于球形機(jī)器人的形心同時(shí)在平面兩個(gè)方向發(fā)生偏移，其合成運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)偏心力矩，致使機(jī)器人向重塊所在的方向偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)；在球殼內(nèi)部裝有一中空軸，兩端通過(guò)軸承與球殼連接，中空軸內(nèi)安裝有傳感器、控制器。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)境探測(cè)球形機(jī)器人，其特征在于所述的 直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，兩個(gè)輪子，中空軸、以及重塊構(gòu)成，中空軸 通過(guò)軸承相對(duì)J求殼運(yùn)動(dòng)，兩4侖驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)固定在中空軸前側(cè)，其兩個(gè)輪子與球 殼呈滾動(dòng)摩擦接觸，轉(zhuǎn)向電機(jī)固定在中空軸后側(cè)，其輸出軸上掛有重塊；當(dāng) 直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的輪子相對(duì)球殼內(nèi)壁爬升時(shí)，中空軸與球殼的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí) 固定在中空軸上的重塊相對(duì)球殼的重心發(fā)生偏移，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的直線(xiàn)運(yùn) 動(dòng)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)境探測(cè)球形機(jī)器人，其特征在于所述的 直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)爬升時(shí)驅(qū)動(dòng)重塊的電機(jī)也作旋轉(zhuǎn)，重塊相對(duì)于球形機(jī)器人的形 心在平面兩個(gè)方向發(fā)生偏移，合成發(fā)生一個(gè)偏心力矩，使機(jī)器人向重塊所在 的方向偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)境探測(cè)球形機(jī)器人，其特征在于所述的 球殼內(nèi)部裝有一中空軸，兩端通過(guò)軸承與球殼連接，中空軸內(nèi)安裝有傳感器專(zhuān)利摘要環(huán)境探測(cè)球形機(jī)器人，將運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制器件等包含在一個(gè)球形殼體內(nèi)，通過(guò)重心偏移原理來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由中空軸、兩輪式直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、重塊轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。兩輪式直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪等，它利用重心偏移來(lái)實(shí)現(xiàn)球形機(jī)器人的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。重塊轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，利用重心偏移原理，將重塊偏移角度與直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)環(huán)境探測(cè)球形機(jī)器人的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。直線(xiàn)和轉(zhuǎn)向兩種運(yùn)動(dòng)相結(jié)合就可以實(shí)現(xiàn)該環(huán)境探測(cè)球形機(jī)器人任意方位的運(yùn)動(dòng)。該環(huán)境探測(cè)球形機(jī)器人內(nèi)置相對(duì)球殼不動(dòng)的中空軸，提供了安裝傳感器、控制器等的穩(wěn)定平臺(tái)；將直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)相結(jié)合，運(yùn)動(dòng)形式簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)靈活、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，可用于劇毒氣體檢測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境觀(guān)測(cè)及星球探測(cè)等多種任務(wù)。
文檔編號(hào)B25J5/00GK201313307SQ20082017834
公開(kāi)日2009年9月23日 申請(qǐng)日期2008年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月10日
發(fā)明者叔廣慧, 強(qiáng) 戰(zhàn), 堯 蔡 申請(qǐng)人:強(qiáng) 戰(zhàn)