萬向輪式球形運載裝置及其使用方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種萬向輪式球形運載裝置及其使用方法，包括殼體、駕駛室以及動力驅(qū)動裝置；其中，駕駛室設(shè)置在所述殼體的內(nèi)側(cè)；所述駕駛室的上端能夠沿所述殼體的一側(cè)內(nèi)壁面滑動，下端能夠沿所述殼體的另一側(cè)內(nèi)壁面滑動；所述動力驅(qū)動裝置包括多個伸縮足；多個所述伸縮足的一端均連接所述殼體的外壁面。多個所述伸縮足沿所述殼體的外壁面依次均勻分布。本發(fā)明沒有運動死區(qū)，實現(xiàn)球形機器人的全方位運動與球面的萬向滾動，增強了遇到特殊情況時的機器人運動能力，提高了轉(zhuǎn)向靈敏度，能夠有效避障。
【專利說明】
萬向輪式球形運載裝置及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及，具體地，涉及一種萬向輪式球形運載裝置及其使用方法。
【背景技術(shù)】
[0002]球形機器人運動機構(gòu)首先是由芬蘭赫爾辛基大學(xué)的Halme教授于1996年提出來的，該球形機器人的球殼內(nèi)設(shè)計了一套單輪機構(gòu)驅(qū)動球體運動，通過改變球體的重心實現(xiàn)球體的直線運動，缺點是不能轉(zhuǎn)向。
[0003]目前球形機器人存在的二個問題，一是部分球形機器人采用二驅(qū)動或三驅(qū)動實現(xiàn)的三自由度球形機器人存在運動死區(qū)，在球面的特殊區(qū)域與地面接觸時，機器人失去運動能力;二是球形機器人未考慮越障功能，這就限制了球形機器人在很多方面的應(yīng)用價值。因此，發(fā)明一種結(jié)構(gòu)簡單、控制難度低、具有良好越障避障能力、能夠全方位移動并且能夠?qū)崿F(xiàn)球面萬向滾動的新型球形機器人是非常必須的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種萬向輪式球形運載裝置及其使用方法，尤其是能夠有效實現(xiàn)越障、壁障及碰撞保護功能。本發(fā)明比其他球形機器人具有更大的運動靈活性和更強的平衡能力，在結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制方式方法上獨具特點。本發(fā)明可用于星球探測、運輸、救援、軍事等方面。
[0005]根據(jù)本發(fā)明提供的萬向輪式球形運載裝置，包括殼體、駕駛室以及動力驅(qū)動裝置；
[0006]其中，駕駛室設(shè)置在所述殼體的內(nèi)側(cè);所述駕駛室的上端能夠沿所述殼體的一側(cè)內(nèi)壁面滑動，下端能夠沿所述殼體的另一側(cè)內(nèi)壁面滑動；
[0007]所述動力驅(qū)動裝置包括多個伸縮足;多個所述伸縮足的一端均連接所述殼體的外壁面。
[0008]優(yōu)選地，多個所述伸縮足沿所述殼體的外壁面依次均勻分布。
[0009]優(yōu)選地，還包括頂部滾球和底部滾球；
[0010]所述駕駛室的上端設(shè)置有第一球形凹槽，下端設(shè)置有多個第二球形凹槽;所述第一球形凹槽和所述殼體的一側(cè)內(nèi)壁面之間設(shè)置有頂部滾球；
[0011]所述第二球形凹槽和所述殼體的另一側(cè)內(nèi)壁面之間設(shè)置有底部滾球。
[0012]優(yōu)選地，還包括中央控制單元、陀螺儀以及廣角成像系統(tǒng)；
[0013]所述陀螺儀設(shè)置在所述駕駛室;所述廣角成像系統(tǒng)設(shè)置在所述殼體上；
[0014]所述中央控制單元電連接所述陀螺儀、所述廣角成像系統(tǒng)、所述動力驅(qū)動裝置的伸縮足。
[0015]優(yōu)選地，所述殼體呈球形;所述駕駛室呈錐形；
[0016]所述駕駛室的下端呈球冠狀;所述駕駛室設(shè)置有平衡重物；
[0017]所述伸縮足的底端呈球冠狀。
[0018]本發(fā)明提供的所述的萬向輪式球形運載裝置的使用方法，包括如下步驟:
[0019]行進步驟，具體為，殼體下端前側(cè)的伸縮足進行收縮運動;殼體下端后側(cè)的伸縮足進行伸張運動；
[0020]制動步驟，具體為，殼體下端前側(cè)的伸縮足進行伸張運動;殼體下端后側(cè)的伸縮足進行收縮運動；
[0021]停止固定步驟，具體為，殼體下端前側(cè)和后側(cè)的伸縮足均進行伸張運動
[0022]越障步驟，具體為，殼體下端前側(cè)和后側(cè)的伸縮足均進行伸張運動;殼體下端的伸縮足進行收縮運動。
[0023]優(yōu)選地，所述伸縮足的伸縮和收縮運動的行程可調(diào)。
[0024]優(yōu)選地，還包括駕駛平衡調(diào)節(jié)步驟:
[0025]-中央控制單元實時接收陀螺儀傳送的駕駛室的角位移、角加速度;通過控制相對應(yīng)的伸縮足的伸縮速度與加速度，間接控制萬向輪式球形運載裝置的直線速度與加速度，利用慣性力的作用保持駕駛室直立與穩(wěn)定性。
[0026]優(yōu)選地，當發(fā)生碰撞時，碰撞的伸縮足進行收縮以吸收碰撞能量，同時中央控制單元取消的平衡調(diào)節(jié)步驟。
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0028]1、本發(fā)明沒有運動死區(qū)，實現(xiàn)球形機器人的全方位運動與球面的萬向滾動，增強了遇到特殊情況時的機器人運動能力，提高了轉(zhuǎn)向靈敏度，能夠有效避障；
[0029]2、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，控制方式簡單，各伸縮足之間相互獨立且運動方式相同，不存在機械耦合問題；
[0030]3、本發(fā)明中伸縮足行程可調(diào)可為障礙物騰出空間，從而實現(xiàn)越障功能；
[0031]4、本發(fā)明駕駛室與球形殼體無硬性機械連接，其直立控制與穩(wěn)定性控制為駕駛員駕駛提供了可能；
[0032]5、本發(fā)明中萬向輪式球形機器人或運載車輛發(fā)生高強度碰撞事故時，碰撞的伸縮足進行收縮可吸收部分能量，同時駕駛室可進行大幅度橫擺或圓周運動進一步吸收能量，以減少駕駛室內(nèi)的沖擊。
【附圖說明】
[0033]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:
[0034]圖1為本發(fā)明中萬向輪式球形運載裝置的一個方向的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖2為本發(fā)明中萬向輪式球形運載裝置的另一個方向的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖3為本發(fā)明中萬向輪式球形運載裝置前進示意圖；
[0037]圖4為本發(fā)明中萬向輪式球形運載裝置制動示意圖；
[0038]圖5為本發(fā)明中萬向輪式球形運載裝置停止示意圖；
[0039]圖6為本發(fā)明中萬向輪式球形運載裝置越障示意圖；
[0040]圖7為本發(fā)明中駕駛平衡調(diào)節(jié)控制流程圖；
[0041 ]圖8為本發(fā)明中萬向輪式球形運載裝置碰撞示意圖。
【具體實施方式】
[0042]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0043]在本實施例中，本發(fā)明提供的萬向輪式球形運載裝置，為旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)，采用外部動力驅(qū)動方式，包括殼體1、駕駛室2以及動力驅(qū)動裝置；
[0044]其中，駕駛室2設(shè)置在所述殼體I的內(nèi)側(cè);所述駕駛室2的上端能夠沿所述殼體I的一側(cè)內(nèi)壁面滑動，下端能夠沿所述殼體I的另一側(cè)內(nèi)壁面滑動；
[0045]所述動力驅(qū)動裝置包括多個伸縮足4;多個所述伸縮足4的一端均連接所述殼體I的外壁面。
[0046]多個所述伸縮足4沿所述殼體I的外壁面依次均勻分布。
[0047]本發(fā)明提供的萬向輪式球形運載裝置，還包括頂部滾球8和底部滾球6;
[0048]所述駕駛室2的上端設(shè)置有第一球形凹槽，下端設(shè)置有多個第二球形凹槽;所述第一球形凹槽和所述殼體I的一側(cè)內(nèi)壁面之間設(shè)置有頂部滾球8;
[0049]所述第二球形凹槽和所述殼體I的另一側(cè)內(nèi)壁面之間設(shè)置有底部滾球6。
[0050]頂部滾球8和底部滾球6內(nèi)嵌于駕駛室2表面，嵌入部分超過滾球最大圓周，頂部滾球8和底部滾球6內(nèi)嵌表面與第一球形凹槽、第二球形凹槽配合表面涂有潤滑油；
[0051]本發(fā)明提供的萬向輪式球形運載裝置，還包括中央控制單元、陀螺儀以及廣角成像系統(tǒng)；
[0052]所述陀螺儀設(shè)置在所述駕駛室2;所述廣角成像系統(tǒng)設(shè)置在所述殼體I上；
[0053]所述中央控制單元電連接所述陀螺儀、所述廣角成像系統(tǒng)、所述動力驅(qū)動裝置的伸縮足4。中央控制單元控制遍布球殼I外側(cè)的伸縮足4實現(xiàn)伸縮運動，同時實時接收陀螺儀7傳送的駕駛室2角位移、角速度等數(shù)據(jù)，通過控制微調(diào)伸縮足伸縮速度與加速度，間接控制萬向輪式球形機器人或運載車輛直線速度與加速度，利用慣性力的作用保證駕駛室2直立與穩(wěn)定性。
[0054]所述殼體I呈球形;所述駕駛室2呈錐形;六個廣角成像系統(tǒng)3固定在殼體I周圍，物理方位為上下左右，通過圖像處理技術(shù)對周圍環(huán)境完全成像。
[0055]所述駕駛室2的下端呈球冠狀;所述駕駛室2設(shè)置有平衡重物;平衡重5與陀螺儀7用于保證駕駛室穩(wěn)定性。
[0056]所述伸縮足4的底端呈球冠狀。
[0057]本發(fā)明提供的所述的萬向輪式球形運載裝置的使用方法，包括如下步驟:
[0058]行進步驟，具體為，殼體I下端前側(cè)的伸縮足進行收縮運動;具體為殼體I下端后側(cè)的伸縮足進行伸張運動;如圖3所示，行進時，殼體I最大圓周及其周圍前端部分伸縮足9、10等進行收縮運動，后端部分伸縮足11、12等進行伸張運動。行進過程中前端部分伸縮足9、10等的收縮運動，騰出的空間相當于在前進方向上形成一個下坡，減少行進阻力;后端部分伸縮足11、12等進行伸張運動，其與地面摩擦力與支持力的作用形成驅(qū)動力。球形殼體I每個最大圓周伸縮足構(gòu)成該方向行進車輪，轉(zhuǎn)彎時有超過兩個最大圓周伸縮足參與運動，由此稱為萬向輪式。
[0059]制動步驟，具體為，殼體I下端前側(cè)的伸縮足進行伸張運動;殼體I下端后側(cè)的伸縮足進行收縮運動;如圖4所示，制動時，球形殼體I最大圓周及其周圍前端部分伸縮足13、14等進行伸張運動，后端部分伸縮足27、28等進行收縮運動。制動過程中前端部分伸縮足15、16等的伸張運動，相當于在前進方向上形成一個上坡，增大行進阻力；后端部分伸縮足13、14等進行伸張運動，其與地面分離不提供驅(qū)動力。
[0060]停止固定步驟，具體為，殼體I下端前側(cè)和后側(cè)的伸縮足均進行伸張運動;如圖5所示，停止時，球形殼體I底部小圓邊緣伸縮足17、20等進行伸張運動將其支起實現(xiàn)固定。
[0061]越障步驟，具體為，殼體I下端前側(cè)和后側(cè)的伸縮足均進行伸張運動;殼體I下端的伸縮足進行收縮運動。如圖6所示，越障時，球形殼體I底部與障礙物接觸的部分伸縮足22、23等增大收縮行程可為障礙物騰出空間，由此實現(xiàn)越障功能。
[0062]所述伸縮足的伸縮和收縮運動的行程可調(diào)。
[0063]本發(fā)明提供的萬向輪式球形運載裝置的使用方法，還包括駕駛平衡調(diào)節(jié)步驟:
[0064]-中央控制單元實時接收陀螺儀7傳送的駕駛室2的角位移、角加速度;通過控制相對應(yīng)的伸縮足的伸縮速度與加速度，間接控制萬向輪式球形運載裝置的直線速度與加速度，利用慣性力的作用保持駕駛室2直立與穩(wěn)定性。首先平衡重5可減小駕駛室擺動幅度，
[0065]當發(fā)生碰撞時，碰撞的伸縮足進行收縮以吸收碰撞能量，同時中央控制單元取消的駕駛平衡調(diào)節(jié)步驟。此時駕駛室可進行大幅度橫擺甚至圓周運動進一步吸收能量，以減少駕駛室內(nèi)沖擊。
[0066]以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。
【主權(quán)項】
1.一種萬向輪式球形運載裝置，其特征在于，包括殼體(I)、駕駛室(2)以及動力驅(qū)動裝置； 其中，駕駛室(2)設(shè)置在所述殼體(I)的內(nèi)側(cè)；所述駕駛室(2)的上端能夠沿所述殼體(I)的一側(cè)內(nèi)壁面滑動，下端能夠沿所述殼體(I)的另一側(cè)內(nèi)壁面滑動； 所述動力驅(qū)動裝置包括多個伸縮足(4);多個所述伸縮足(4)的一端均連接所述殼體(I)的外壁面。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的萬向輪式球形運載裝置，其特征在于，多個所述伸縮足(4)沿所述殼體(I)的外壁面依次均勾分布。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的萬向輪式球形運載裝置，其特征在于，還包括頂部滾球(8)和底部滾球(6); 所述駕駛室(2)的上端設(shè)置有第一球形凹槽，下端設(shè)置有多個第二球形凹槽;所述第一球形凹槽和所述殼體(I)的一側(cè)內(nèi)壁面之間設(shè)置有頂部滾球(8); 所述第二球形凹槽和所述殼體(I)的另一側(cè)內(nèi)壁面之間設(shè)置有底部滾球(6)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的萬向輪式球形運載裝置，其特征在于，還包括中央控制單元、陀螺儀以及廣角成像系統(tǒng)； 所述陀螺儀設(shè)置在所述駕駛室(2);所述廣角成像系統(tǒng)設(shè)置在所述殼體(I)上； 所述中央控制單元電連接所述陀螺儀、所述廣角成像系統(tǒng)、所述動力驅(qū)動裝置的伸縮足⑷。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的萬向輪式球形運載裝置，其特征在于，所述殼體(I)呈球形;所述駕駛室(2)呈錐形； 所述駕駛室(2)的下端呈球冠狀;所述駕駛室(2)設(shè)置有平衡重物； 所述伸縮足(4)的底端呈球冠狀。6.—種權(quán)利要求1至5任一項所述的萬向輪式球形運載裝置的使用方法，其特征在于，包括如下步驟: 行進步驟，具體為，殼體(I)下端前側(cè)的伸縮足進行收縮運動;殼體(I)下端后側(cè)的伸縮足進行伸張運動； 制動步驟，具體為，殼體(I)下端前側(cè)的伸縮足進行伸張運動;殼體(I)下端后側(cè)的伸縮足進行收縮運動； 停止固定步驟，具體為，殼體(I)下端前側(cè)和后側(cè)的伸縮足均進行伸張運動 越障步驟，具體為，殼體(I)下端前側(cè)和后側(cè)的伸縮足均進行伸張運動;殼體(I)下端的伸縮足進行收縮運動。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的萬向輪式球形運載裝置的使用方法，其特征在于，所述伸縮足的伸縮和收縮運動的行程可調(diào)。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的萬向輪式球形運載裝置的使用方法，其特征在于，還包括駕駛平衡調(diào)節(jié)步驟: -中央控制單元實時接收陀螺儀(7)傳送的駕駛室(2)的角位移、角加速度;通過控制相對應(yīng)的伸縮足的伸縮速度與加速度，間接控制萬向輪式球形運載裝置的直線速度與加速度，利用慣性力的作用保持駕駛室(2)直立與穩(wěn)定性。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的萬向輪式球形運載裝置的使用方法，其特征在于，當發(fā)生碰撞時，碰撞的伸縮足進行收縮以吸收碰撞能量，同時中央控制單元取消的駕駛平衡調(diào)節(jié)步驟。
【文檔編號】B62D57/02GK105966481SQ201610339398
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月20日
【發(fā)明人】于濤, 蔡偉偉
【申請人】上海交通大學(xué)