球形探測機器人的製作方法

2023-05-10 13:33:11

專利名稱：球形探測機器人的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種可用於環境探測、星球探測及玩具領域的球形探測機器人系統。
背景技術：
球形機器人或球形機構是指一類將運動執行機構、傳感器、控制器安裝在一球形殼體內的系統的總稱。由於這類機器人具有良好的動態和靜態平衡性，因此不會因為碰撞而產生失穩狀態。同時，由於其機電、傳感部件和控制部件都包括在這個球中，因此具有很好的密封性，可以行駛在沙塵、潮溼、腐蝕性的惡劣環境中。A.Halme，T.Schonberg and Y.Wang，MotionControl of a Spherical Mobile Robot，4th IEEE International Workshop onAdvanced Motion Control AMC』96，Mie University，Japan 1996.介紹了芬蘭的Aarne Halme設計的一種球形機器人並申請了專利，該球形機器人採用了一個在球殼內滾動的輪來驅動整個球形機器人的運動；Michaud F.andTheberge-Turmel.Mobile robotic tpyS and autism.In Dautenhahn，K.，Bod.A Socially Intelligent Agents Creating Relationships with Computers andRobots.Kluwer Academic，2002.介紹了加拿大的Francois Michaud和Serge Caron研製一個玩具用途的球形機器人，他們通過調整懸掛在主軸上的重物來實現機器人的轉向；中國發明專利申請號01118289.X，改進的球形機器人全方位行走機構公開了北京郵電大學孫漢旭教授申請的一個全方位球形機器人的專利，它是通過球內的一個全方位運動機構來實現球形機器人的運動。申請人與合作者也曾申請了一個球形機器人的專利，它是通過電機直接帶動球殼來前進後退，通過擺動一重物來實現球形機器人的轉彎。
球形機器人的一個主要的用途是可以進行探測或觀測，但上述發明或設計的球形機器人只追求運動的全方位，而忽略了具體應用中傳感器等設備的加裝問題。由於球形機器人只能採用遙控或自主的方式來運動，在這兩種方式下，如果讓機器人在遠距離或有遮擋的環境中運動，都需要傳感器的輔助，如視覺傳感器，遙控者在視覺信息的指引下可以讓球形機器人按著任務的需要進行合理的動作，同時球形機器人也可以在視覺信息的導引下做一些自主運動。如果將視覺等傳感器安裝在全方位運動的球形機器人上，傳感器會隨著球形機器人轉動，這時傳感器提供的不是固定傳感方向的有用環境信息，而是轉動的機器人圓周附近的信息，這些信息無法為機器人的運動提供合理的指導。為了能夠為球形機器人提供合理有效的傳感信息，需要在球形機器人上為傳感器提供一個不隨機器人轉動的安裝位置。

發明內容
本發明的技術解決問題是克服現有技術的不足，提供一種不僅可以相對於球殼不轉動的軸，便於傳感器的安裝和使用，而且具有一套結構與控制都非常簡單的運動機構，可以方便地完成前進、後退、左轉、右轉等運動功能的球形機器人。
本發明的技術解決方案是球形探測機器人，包括球殼，其特徵在於在球殼的內部安裝有一不隨球殼轉動的主軸，球殼與主軸之間通過滾動軸承相連，在主軸下面懸掛有運動機構，運動機構的兩端安裝有兩個輪子，兩個輪子在運動機構重力的作用下分別壓在球殼上。當輪子在運動機構的帶動下轉動時，如果兩個輪子的轉動方向、轉速相同，則輪子與球殼之間產生的摩擦力可以形成對球殼的直線推動力，由此推動整個球殼前進和後退；而當兩個輪子轉速不同或相反時，它們就會對球殼產生一個讓球殼轉動的力矩，由此讓球殼繞垂直於地面的轉軸轉動，從而實現整個球形機器人的轉向。
在本發明中，當球形機器人運動時可以保證主軸相對於球殼是不動的，因此可以在主軸上安裝攝像機等傳感器，而且可以保證在機器人的運動過程中傳感器不會發生旋轉等運動；本發明還以簡潔緊湊的方式實現球形機器人的前進、後退、轉彎等運動，而且在運動的規程中可以保證主軸與地面的相對高度保持不變。
本發明與現有技術相比的有益效果1、該球形探測機器人利用兩個輪子與球殼內表面之間的摩擦力實現其直線運動和轉彎等運動功能，運動機構簡單且控制方便。由於球形機器人的內部空間範圍較小，因此簡單的機構可以為球形機器人提供更多的空間，便於安裝傳感器等其他設備；另外，該球形機器人還具有自主和遙控運動兩種功能，既可以由操縱者根據反饋圖像遙控球形機器人運動，也可讓球形機器人根據圖像信息進行自主運動，可以完成諸如劇毒氣體檢測、現場環境觀測及星球探測等多種任務。
2、本發明不同於以往的專利內容主要表現在，該球形探測機器人可以提供一個不隨球殼轉動的主軸，從而可以在該軸上安裝攝像機、傳感器等設備，進行探測等工作。由於主軸不隨球殼轉動且在整個運動空間中主軸相對於地面是平動，因此安裝在上面的攝像機等傳感器可以具有一個固定的傳感方向，倘若不能安裝在一個平動的平臺上，則攝像機等傳感器會隨著球殼轉動，從而導致檢測的信息非常雜亂，不便於使用。


圖1為本發明的整體結構示意圖；圖2本發明的運動機構結構示意圖。
具體實施例方式
如圖1、圖2所示，本發明實施例為在球殼1的內部安裝有一不隨球殼轉動的主軸2，主軸2為一中空體，在其外部可安裝控制設備10等，在其內部可以安裝用於探測的傳感器等裝置，球殼1與主軸2之間通過支撐件3和滾動軸承4相連，在主軸2的下面懸掛有運動機構8，運動機構8通過連接件5與主軸2相連，連接件5上有一對長槽可以讓運動機構8在垂直於地面的方向調整位置，運動機構8由兩個電機6、兩套帶輪(或鏈輪、齒輪)9和兩個輪子7構成，在兩個電機6的兩端分別通過帶輪(或鏈輪、齒輪)9連接兩個輪子7，兩個輪子7為球形或普通輪子均可，由於電機6和電池組11的重量，使兩個輪子7分別壓在球殼上。當兩個電機6同向轉動且轉速相同時，帶動兩個輪子7轉動，由於電機6和電池組11等的重力作用，輪子7與球殼1之間會產生摩擦力，由於兩個力經過相互抵消後只存在一對與前進方向相同或相反力，所以球殼1會產生前進和後退運動。而當兩電機6轉動方向或轉速不同時，兩個輪子7與球殼1之間產生的摩擦力會因力的方向或大小的不同而對球殼1產生一個繞垂直於地面的軸的力矩，該力矩會帶動整個球形機器人的轉動，從而實現球形機器人的轉彎。
權利要求
1.球形探測機器人，包括球殼，其特徵在於在球殼的內部安裝有一不隨球殼轉動的主軸，球殼與主軸之間通過滾動軸承相連，在主軸下面懸掛有運動機構，運動機構的兩端分別安裝有輪子，輪子在運動機構的重力作用下壓在球殼上，利用兩個輪子轉動時與球殼之間的摩擦力實現直線運動和轉彎等運動功能。
2.根據權利要求1所述的球形探測機器人，其特徵在於所述的主軸是一中空體，內部可安裝傳感器等探測裝置，外部的中間部分是矩形，可安裝控制部件和運動機構，外部的兩端是圓柱形，可安裝滾動軸承。
3.根據權利要求1所述的球形探測機器人，其特徵在於所述的運動機構由兩個電機、兩套帶輪和兩個輪子組成，該運動機構不僅可以利用兩個輪子的轉速和轉向的不同實現球形機器人的前進、後退、轉彎等運動，而且可以保證運動的過程中主軸相對於地面的高度保持不變。
全文摘要
球形探測機器人，在球殼的內部安裝有一不隨球殼轉動的主軸，球殼與主軸之間通過滾動軸承相連，在主軸下面懸掛有運動機構，運動機構的兩端安裝有兩個輪子，兩個輪子在運動機構重力的作用下分別壓在球殼上。本發明的優點是可以提供一個相對於球殼不動的主軸，從而可以在該軸上安裝攝像機、傳感器等設備，進行探測等工作。另外，該球形機器人還具有一套將前進後退機構和轉彎機構結合在一起的運動機構，簡化了其結構形式。該球形機器人可具有自主和遙控運動兩種功能，根據反饋圖像可遙控球在陌生環境運動，可以完成諸如劇毒氣體檢測、現場環境觀測及星球探測等多種任務。
文檔編號B25J11/00GK1701929SQ20041000912
公開日2005年11月30日 申請日期2004年5月24日 優先權日2004年5月24日
發明者戰強 申請人:北京航空航天大學