球形機器人的製作方法

2023-07-22 18:06:46

本發明涉及機器人領域，具體涉及一種球形機器人。

背景技術：

球形機器人是指利用球體的滾動實現運動的機器人，可以實現全方位運動，與地面是單點接觸，摩擦阻力小，能量利用效率高，並且具有不倒翁特性，可以避免常規的機器人容易出現的傾倒失穩現象。機器人的重要部件均包容在球體內部，受到球體外殼良好的保護，不容易因破壞而失效。採取合適的密封措施，可以使球形機器人的外殼具備防水能力，進而在較為惡劣的天氣條件下使用，具有全天候的適應能力。

球形機器人由於受限於滾動的行走方式，往往運動穩定性不高，而且越障爬坡能力不強，這使得球形機器人在人們的生活領域(如具有大於30度的斜坡或樓梯等障礙)或某些凹凸不平的場地的應用受到極大的限制。

因此，如何提高球形機器人的越障爬坡能力，以增加球形機器人的應用場景和運動穩定性，為業界人士重點研究課題。

技術實現要素：

針對以上的問題，本發明的目的是提供一種球形機器人，可實現越障爬坡、自動調節姿態及增加運動穩定性。

為了解決背景技術中存在的問題，本申請採用如下的技術方案：一種球形機器人，包括球殼及設於所述球殼內部的驅動組件；所述驅動組件包括支撐臺、安裝於所述支撐臺的多個驅動輪、驅動電機及兩個控制力矩陀螺系統；所述兩個控制力矩陀螺系統之間設有反向同步齒輪組，以帶動所述兩個控制力矩陀螺系統反向同步偏擺；

所述多個驅動輪分布於所述支撐臺的邊緣且與所述球殼內壁接觸，所述驅動電機驅動所述驅動輪轉動，使所述驅動輪和所述球殼之間產生摩擦力以帶動所述球形機器人行走；所述球殼受到幹擾力矩幹擾時，通過控制所述控制力矩陀螺系統偏擺來增加進動力矩以克服所述幹擾力矩及提高所述球形機器人的穩定性。

一種實施方式中，所述控制力矩陀螺系統通過固定支架固定於所述支撐臺上，所述固定支架包括相對設置的第一端、第二端及設於所述第一端和第二端之間的連接部，所述兩個控制力矩陀螺系統包括關於所述連接部對稱分布的第一控制力矩陀螺系統和第二控制力矩陀螺系統；所述第一控制力矩陀螺系統和所述第二控制力矩陀螺系統分別設於所述第一端與所述連接部、所述第二端與所述連接部之間，且分別通過第一偏擺軸和第二偏擺軸與所述固定支架之間轉動連接；所述反向同步齒輪組固定於所述連接部，包括相對設置的第一齒輪、第二齒輪及與所述第一齒輪和所述第二齒輪相嚙合的中間齒輪，所述第一齒輪和所述第二齒輪分別固接於所述第一控制力矩陀螺系統和所述第二控制力矩陀螺系統，所述中間齒輪的傳動作用使得所述第一齒輪和所述第二齒輪轉向相反，使得所述第一控制力矩陀螺系統和所述第二控制力矩陀螺系統同步反向偏擺。

一種實施方式中，所述中間齒輪包括相互嚙合的第三齒輪和第四齒輪，所述第一齒輪與所述第三齒輪相嚙合，所述第二齒輪與所述第四齒輪相嚙合，所述第一齒輪與所述第四齒輪的轉向相同，所述第二齒輪與所述第三齒輪的轉向相同，且與所述第一齒輪與所述第二齒輪的轉向相反。

一種實施方式中，所述第一齒輪、所述中間齒輪與所述第二齒輪均為漸開線直齒輪。

一種實施方式中，所述第一控制力矩陀螺系統還包括第一控制力矩陀螺和第一偏擺電機，所述第一偏擺電機設於所述第一控制力矩陀螺上且遠離所述連接部的一端，所述第一端設有第五齒輪，所述第一偏擺電機設有與所述第五齒輪相嚙合的第六齒輪，所述第一偏擺電機通過帶動所述第六齒輪相對於所述第五齒輪偏擺，以帶動所述第一控制力矩陀螺系統繞所述第一偏擺軸偏擺，從而帶動所述第一齒輪轉動，並通過所述中間齒輪傳動至所述第二齒輪，以帶動所述第一控制力矩陀螺系統和所述第二控制力矩陀螺系統同步反向偏擺。

一種實施方式中，所述控制力矩陀螺系統通過固定支架固定於所述支撐臺上，所述控制力矩陀螺系統還包括控制力矩陀螺和偏擺電機；所述固定支架固定於所述支撐臺上，用於固定所述控制力矩陀螺，所述固定支架與所述控制力矩陀螺之間通過偏擺軸轉動連接；所述支撐臺設有第一軸向，所述多個驅動輪關於所述第一軸向對稱分布，且所述兩個控制力矩陀螺系統的所述偏擺軸的延伸方向沿著所述第一軸向的方向延伸。

一種實施方式中，所述兩個控制力矩陀螺系統沿著所述第一軸向分布或關於所述第一軸向對稱分布。

一種實施方式中，所述驅動輪與所述驅動電機設於所述支撐臺的相對兩側，且所述驅動輪與所述控制力矩陀螺系統設於所述支撐臺的同一側。

一種實施方式中，所述驅動輪與所述支撐臺之間設有彈性連接件，所述彈性連接件用於所述球形機器人運動時對所述球殼內的所述驅動組件起到緩衝減震作用及為所述驅動輪提供與所述球殼接觸的接觸壓力的作用。

一種實施方式中，所述驅動組件包括一對導軌及與所述一對導軌相匹配的一對滑塊，所述一對導軌固定於所述支撐臺上，且分別設於所述彈性連接件及所述驅動輪的相對兩側，所述一對滑塊分別固定於所述驅動輪的轉軸兩側；所述彈性連接件產生形變的過程中，所述一對滑塊沿著所述一對導軌滑動，使得所述驅動輪相對於所述支撐臺做往復運動。

本申請針對現有的球形機器人往往運動穩定性不高，而且越障爬坡能力不強的問題，提供了一種球形機器人，包括球殼和設於所述球殼內部的驅動組件。所述驅動組件包括驅動輪和驅動電機；所述驅動電機通過驅動所述驅動輪自轉，在球殼內壁產生牽引力矩以帶動所述球殼相對於所述驅動組件轉動，所述球殼的轉動於地面之間產生摩擦力，實現了所述球形機器人的行走。在球形機器人遇到行走障礙，且驅動輪的驅動力矩足以使得所述球形機器人越障時，所述控制力矩陀螺可通過自由偏擺以產生進動力矩從而穩定球形機器人的底盤，使驅動輪的驅動力矩全部傳遞給球殼，從而使球形機器人越過障礙。當驅動輪的驅動力矩不足以越障時，球形機器人通過控制偏擺電機帶動所述控制力矩陀螺以大於自由偏擺時的角速度偏擺，以在短時間內獲得較大的進動力矩，該進動力矩與驅動輪的驅動力矩疊加以實現越障；此外，通過在兩個控制力矩陀螺系統之間設置反向同步齒輪組，以帶動兩個控制力矩陀螺系統反向同步偏擺，使得兩個控制力矩陀螺系統之間的反向同步偏擺更為精確，從而使得兩個控制力矩陀螺系統之間產生同向的進動力矩，增加球形機器人的穩定性。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發明實施例提供的一種球形機器人整體結構示意圖。

圖2是本發明實施例提供的一種球形機器人中控制力矩陀螺結構示意圖。

圖3是圖2的局部放大圖。

圖4是本發明實施例提供的一種球形機器人中驅動組件的俯視圖。

圖5是本發明實施例提供的一種球形機器人中反向同步齒輪的結構示意圖。

圖6是本發明實施例提供的一種球形機器人驅動組件的示意圖。

圖7是本發明實施例提供的一種驅動輪分布示意圖。

圖8是本發明實施例提供的一種驅動輪局部放大示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例的技術方案進行清楚、完整地描述。

請參閱圖1，圖1是本發明實施例提供的一種球形機器人，包括球殼1及設於所述球殼1內部的驅動組件2。所述驅動組件2包括支撐臺4、安裝於所述支撐臺4邊緣的多個驅動輪201和驅動所述驅動輪201繞其中心軸自轉的驅動電機202、安裝於所述支撐臺4上的控制力矩陀螺系統3。

所述驅動輪201的部分周面與所述球殼1內壁相接觸，所述驅動輪201在自轉過程中，在所述球殼1內壁產生轉動摩擦力(牽引力矩)從而帶動所述球殼1相對於所述驅動組件2轉動，所述球殼1的轉動於地面之間產生摩擦力，實現了所述球形機器人的行走。所述驅動電機202與所述驅動輪201之間的傳動方式不局限於皮帶傳動，也可用其他傳動方式。

請參閱圖2至圖4，所述控制力矩陀螺系統3通過固定支架5固定於所述支撐臺4上，包括控制力矩陀螺31和帶動所述控制力矩陀螺31偏擺的偏擺電機32。所述控制力矩陀螺31包括轉子311、軸承312、套設於所述轉子311外圍的轉子框架313及驅動所述轉子311繞其中心軸轉動的自轉電機314。所述自轉電機314設於所述轉子框架313上，通過帶動所述軸承312以帶動所述轉子311旋轉。所述偏擺電機32固定於所述轉子框架313上與所述控制力矩陀螺31一起相對於所述固定支架5偏擺，所述偏擺方向與所述軸承312的延伸方向相垂直。所述兩個控制力矩陀螺系統之間設有一組反向同步齒輪組25，以帶動所述兩個控制力矩陀螺系統反向同步偏擺，這樣的設計一方面可以實現通過機械齒輪帶動所述兩個控制力矩陀螺系統3反向同步偏擺，以減少由兩個電機控制反向同步偏擺時出現偏擺延遲、偏擺的反向同步精度低的問題；另一方面，還可以實現減少電機數量、增大空間利用率及降低整機重量。

在球形機器人遇障(如較大坡度、地面突出物、樓梯等)時，障礙物會對所述球殼1產生幹擾力矩以阻礙其運動，所述球殼1將該幹擾力矩通過所述驅動輪201傳送至所述驅動組件2，高速旋轉狀態下的所述控制力矩陀螺系統3受到所述幹擾力矩作用，會自由偏擺產生一個與所述幹擾力矩方向相反大小相等的進動力矩使球形機器人底盤穩定，使得驅動力矩(驅動輪驅動球殼的力矩)全部轉遞給球殼以實現越障。在球形機器人受到較大幹擾力矩幹擾時，所述球形機器人控制高速旋轉下的所述控制力矩陀螺31以大於自由偏擺時的角速度偏擺，以增大所述進動力矩。所述控制力矩陀螺31產生的進動力矩一方面穩定了所述行走驅動機構，避免其發生翻轉，另一方面，將進動力矩通過所述固定支架5、支撐臺4傳遞至驅動輪201，進而與驅動輪201的驅動力矩疊加後全部傳送至球殼1，從而提高球形機器人的越障爬坡性能及自動調整姿態平衡。

請參閱圖1、圖2及圖4，一種實施方式中，所述支撐臺4為圓形，所述驅動輪201為4個，所述4個驅動輪201圍繞所述支撐臺4的邊緣區域設置，且關於所述支撐臺4中心對稱分布，所述控制力矩陀螺系統3設於所述支撐臺4上。所述固定支架5包括相對設置的第一端51、第二端52及設於所述第一端51和第二端52之間的連接部20，所述兩個控制力矩陀螺系統3包括關於所述連接部20對稱分布的第一控制力矩陀螺系統3a和第二控制力矩陀螺系統3b。所述第一控制力矩陀螺系統3a和所述第二控制力矩陀螺系統3b分別設於所述第一端51與所述連接部20、所述第二端52與所述連接部20之間，且分別通過第一偏擺軸33a和第二偏擺軸33b與所述固定支架5之間轉動連接。

請參閱圖4，一種實施方式中，所述支撐臺4設有第一軸向y，所述驅動輪201關於所述第一軸向y對稱分布，所述兩個控制力矩陀螺系統3a、3b沿著第一軸向y分布，且兩個控制力矩陀螺31a、31b的偏擺軸33a、33b沿著所述第一軸向y延伸。當所述球形機器人沿y正方向行走遇到障礙時，控制力矩陀螺系統3偏擺將發生進動而產生進動力矩平衡所述球形機器人，增加驅動輪201與所述球殼1之間的傳動效率，使驅動輪201的驅動力矩全部傳遞給球殼1從而實現越障，進而避免球殼1內部的行走驅動機構將在球殼1內發生翻滾，球殼1無法獲得最大驅動力矩實現越障。

本申請實施例中，對於所述控制力矩陀螺系統3的排布方式可以採用如下方式：當越障需要的進動力矩方向沿第一軸向y時，控制力矩陀螺系統3的偏擺軸向沿x方向布置；反之，當越障需要的進動力力矩方向沿x軸時，控制力矩陀螺系統3的偏擺軸向沿第一軸向y方向布置。

請參閱圖4及圖5，所述反向同步齒輪組25固定於所述連接部20，包括相對設置的第一齒輪251、第二齒輪252及與所述第一齒輪251和所述第二齒輪252相嚙合的中間齒輪255，所述第一齒輪251和所述第二齒輪252分別固接於所述第一控制力矩陀螺系統3a和所述第二控制力矩陀螺系統3b的轉子框架，所述中間齒輪255的傳動作用使得所述第一齒輪251和所述第二齒輪252轉向相反，使得所述第一控制力矩陀螺系統3a和所述第二控制力矩陀螺系統3b同步反向偏擺。這樣的設計一方面可以實現通過機械齒輪帶動所述兩個控制力矩陀螺系統3a、3b反向同步偏擺，以減少由兩個電機控制反向同步偏擺時出現偏擺延遲、偏擺的反向同步精度低的問題；另一方面，還可以實現減少電機數量，增大空間利用率及降低整機重量。

一種實施方式中，所述中間齒輪255包括相互嚙合的第三齒輪253和第四齒輪254，所述第一齒輪251與所述第三齒輪253相嚙合，所述第二齒輪252與所述第四齒輪254相嚙合，所述第一齒輪251與所述第四齒輪254的轉向相同，所述第二齒輪252與所述第三齒輪253的轉向相同，且與所述第一齒輪251與所述第二齒輪252的轉向相反。

一種實施方式中，所述第一齒輪251、所述中間齒輪255與所述第二齒輪252均為漸開線直齒輪。本實施方式相對於上述實施方式，減少了中間齒輪255的個數。

在其他實施方式，反向同步齒輪組25還可以為其他的結構。本申請在所述兩個控制力矩陀螺31之間設有反向同步齒輪組25，使得所述兩個控制力矩陀螺31的偏擺方向反向同步，可以使得兩個控制力矩陀螺31產生同向的進動力矩，從而保證球形機器人的穩定性。

請參閱圖2及圖5，所述偏擺電機32設於所述控制力矩陀螺31上且遠離所述連接部20的一端，所述第三端51設有第五齒輪511，所述偏擺電機32設有與所述第五齒輪511相嚙合的第六齒輪521，所述偏擺電機32通過帶動所述第六齒輪521相對於所述第五齒輪511偏擺，以帶動所述控制力矩陀螺系統3繞所述偏擺軸33偏擺，從而帶動所述第一齒輪251轉動，並通過所述中間齒輪255傳動至所述第二齒輪252，以帶動所述兩個控制力矩陀螺系統同步反向偏擺。偏擺效果如圖6所示。

請參閱圖7，所述驅動輪201可帶動球形機器人實現原地自轉、直行、轉彎等運動。一種實施方式中，所述驅動組件2可以包括四個驅動輪201，圍繞所述支撐臺4設置。所述四個驅動輪201設於同一平面內，包括沿a方向相對設置的一對第一驅動輪201a及沿b方向相對設置的一對第二驅動輪201b，控制所述一對第二驅動輪201b不動及所述一對第一驅動輪201a的沿a方向轉動，可實現球形機器人沿a方向前進或後退；控制所述一對第二驅動輪201b沿b方向轉動及所述一對第一驅動輪201a不動，可實現球形機器人沿b方向前進或後退；控制所述一對第一驅動輪201a的轉向相反或/和所述一對第二驅動輪201b的轉向相反，可實現球形機器人自轉；控制所述一對第一驅動輪201a的轉動差速或所述一對第二驅動輪201b的轉動差速，可實現球形機器人的左轉彎、右轉彎等。在其他實施方式，所述驅動輪201的個數也可以是2個、3個或3個以上。本申請中對於所述驅動輪201的個數不做限制，只需滿足驅動所述球形機器人實現原地自轉、直行、轉彎等運動中一種或多種運動即可。

請參閱圖1，一種實施方式中，所述驅動輪201與所述驅動電機202設於所述支撐臺4的相對兩側，且所述驅動輪201與所述控制力矩陀螺系統3設於所述支撐臺4的同一側。這樣的驅動結構設計可將重量較重的驅動電機202設於所述支撐臺4之下，一方面充分利用所述支撐臺4下的空間，另一方面也使得所述球形機器人的整體重心降低，從而增加所述球形機器人的穩定性；此外，將所述驅動輪201設於所述支撐臺4之上，在滿足所述驅動輪201與所述球殼1充分接觸以支撐起所述支撐臺4及所述驅動組件2的條件下，還使得所述驅動輪201的空間較大，允許使用較大尺寸的驅動輪201來增大所述驅動輪201與所述球殼1之間的轉速傳動比值，從而在一定的電機功率下，增大所述球殼1的轉動速度，進而增加球形機器人的運動速度。

請參閱圖8，一種實施方式中，所述驅動輪201與所述支撐臺4之間設有彈性連接件21。所述彈性連接件21在所述球形機器人運動時對所述球殼1內的所述驅動組件2起到緩衝減震作用，及為所述驅動輪201提供與所述球殼1接觸的接觸壓力。一種實施方式中，所述彈性連接件21包括彈簧210、設於所述彈簧210和所述驅動輪201相對兩側的一對導軌211、及設於所述一對導軌211上的滑塊212。所述一對導軌211固定於所述支撐臺4之上，且沿著所述彈簧210延伸的方向延伸，所述一對導軌211兩端設有限位件213，限位件213用於限制所述滑塊212的滑動位置。所述一對滑塊212分別固定於所述驅動輪201的轉軸兩側，所述滑塊212一端設於所述一對導軌211上，可相對於所述一對導軌211滑動，另一端固定於所述驅動輪201軸承兩端，以便於在彈簧210形變過程中，帶動所述驅動輪201相對於所述支撐臺4做往復運動。所述驅動電機202固定連接於所述驅動輪201，在彈簧210形變過程中，所述驅動電機202和所述驅動輪201一起相對於所述支撐臺4做往復運動。

本實施方式中，所述彈簧210固定於所述支撐臺4與所述驅動輪201之間，且處於壓縮狀態，以便於為所述驅動輪201與所述球殼1之間提供接觸壓力，從而增加所述驅動輪21與所述球殼1之間的傳動效率，使得所述驅動輪201上的驅動力矩全部傳送至所述球殼1，促進所述球形機器人越障。此外，在球形機器人運動過程中，所述彈簧210可通過其壓縮量的變化確保驅動輪201始終與球殼1緊密接觸，以便於所述驅動輪201通過牽引力矩帶動所述球殼1運動。其他實施方式中，所述彈性連接件21也可以是彈性橡膠、彈性塑料等其他的彈性元件，在本申請中，不對所述彈性連接件21的具體結構進行限制。

請參閱圖8，一種實施方式中，所述驅動輪201包括多個沿著其軸向疊加的轉動輪214，每個所述轉動輪214所在平面可以與所述球殼1垂直或近似垂直，這樣使得所述驅動輪201與所述球殼1之間的接觸面積增大，從而增大所述驅動組件2對於所述球殼1的驅動力。

本申請實施例提供了一種球形機器人，包括球殼1和設於所述球殼1內部的驅動組件2。所述驅動組件2包括驅動輪201和驅動電機202。所述驅動電機202通過驅動所述驅動輪201自轉，在球殼1內壁產生牽引力矩以帶動所述球殼1相對於所述驅動組件2轉動，實現球形機器人的行走；在所述驅動組件2中設置所述控制力矩陀螺31，在球形機器人越障時，通過控制所述偏擺電機32帶動所述控制力矩陀螺31偏擺，使得所述控制力矩陀螺31的偏擺角速度增加，使控制力矩陀螺31的進動力矩增大，該進動力矩通過驅動輪201傳遞給球殼1，球殼1藉助該進動力矩和驅動輪201的驅動力矩越障和爬坡，從而提高球形機器人的越障爬坡性能及自動調整姿態平衡。

綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，但該較佳實施例並非用以限制本發明，該領域的普通技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，均可作各種更動與潤飾，因此本發明的保護範圍以權利要求界定的範圍為準。

以上所述是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發明的保護範圍。