球形搬運機器人的製作方法

2023-10-06 01:32:04 1

本實用新型涉及機器人機構。更具體地說，本實用新型涉及一種球形搬運機器人。

背景技術：

搬運機器人是可以進行自動化搬運作業的工業機器人。目前，移動搬運機器人廣泛採用輪式運動方式。但是，輪式搬運機器人只適合平坦、無障礙的環境，其在路況複雜，崎嶇不平的路面上尤其容易傾倒。因此，輪式機器人不適用於地形複雜、崎嶇的環境，尤其是車站、農場、室外等路面坑窪不平的道路。但這些場合對搬運機器人卻有很強的需求。

技術實現要素：

本實用新型的一個目的是解決至少上述問題，並提供至少後面將說明的優點。

本實用新型還有一個目的是提供一種球形搬運機器人，其能夠在坑窪不平的路面上平穩運行，結構簡單，耗能少，僅利用機械手臂與球體重心方向的夾角實現對速度的控制。

為了實現根據本實用新型的這些目的和其它優點，提供了一種球形搬運機器人，其包括：

球形本體，其包括球形外殼和設置在球形外殼內部的驅動構件和轉向機構；

機械手臂，其設置在所述球形本體的兩側，釋放或夾持待搬運件，所述機械手臂的一端連接至驅動構件的輸出軸，在驅動構件的驅動下轉動與所述球形本體的重心方向形成夾角，從而帶動所述球形本體發生移動；

其中，所述轉向機構包括：錐齒輪，其設置在一支撐杆的端部，所述支撐杆的另一端固定連接在所述球形外殼的內壁上，所述支撐杆在徑向方向上向圓心延伸；

兩個第一驅動電機，對稱設置在所述支撐杆的兩側，所述第一驅動電機的輸出端上設置有主動齒輪；

以及從動軸，其兩端分別設置有嚙合所述主動齒輪的從動齒輪和嚙合所述錐齒輪的側齒輪，第一驅動電機通過輸出不同的轉矩實現球形搬運機器人的轉向。

優選的是，所述球形搬運機器人還包括一球形內殼，其設置在所述支撐杆上，收納所述錐齒輪和所述側齒輪；

所述從動軸通過軸承穿設在所述球形內殼的側壁上；所述從動齒輪設置在所述球形內殼的外部，所述側齒輪位於所述球形內殼的內部。

優選的是，所述機械手臂為一對，對稱設置在所述球形外殼的兩側；所述機械手臂包括：臂部，其固定端連接所述驅動構件的輸出軸；所述臂部至少部分中空，中空部分設置有第二驅動電機；

以及爪：其設置在所述臂部的自由端，在第二驅動電機的驅動下爪張開或閉合，釋放或夾持待搬運件。

優選的是，所述爪包括：活動手指，其通過一關節銷連接至所述臂部自由端，所述活動手指具有夾持端和尾端；

固定手指，與所述活動手指間隔設置在所述臂部上，所述固定手指配合活動手指夾持待搬運件；

偏心輪，其連接在所述電機的輸出端；

驅動繩，其一端連接至所述偏心輪的周緣上，另一端固定在所述活動手指的尾端；

以及復位彈簧，其設置在固定手指和活動手指之間，一端固定連接固定手指，另一端固定連接活動手指；

所述偏心輪在第二驅動電機的驅動下轉動，帶動驅動繩拉緊活動手指，實現爪的夾持動作；在復位彈簧的回覆力作用下，實現爪的釋放動作。

優選的是，所述支撐杆為兩個，沿所述球形外殼直徑方向上對稱設置。

優選的是，所述球形搬運機器人還包括球形中間殼，其連接在所述支撐杆上，收納所述內殼；所述球形中間殼的側壁上固定有支撐艙；所述第一驅動電機設置在所述支撐艙內。

優選的是，所述驅動構件包括：軸承，其固定在所述球形外殼側壁上；

載荷艙，其固定在所述球形外殼的內壁上；

以及第三驅動電機，其設置在所述載荷艙內部，所述第三驅動電機的輸出軸穿出所述載荷艙，穿過所述軸承，延伸至所述機械手臂上。

優選的是，所述臂部還設置有牽引軸，所述驅動繩部分纏繞至所述牽引軸上。

本實用新型至少包括以下有益效果：本實用新型所述球形搬運機器人，採用球形外殼具有較強的越障和爬坡能力。不僅可以在平坦、無障礙的環境中運行，同時也適用於路面崎嶇不平，尤其是坑窪不平的道路上。所述球形搬運機器人利用其機械手臂與球體的重心方向夾角來驅動機器人運行，也通過調節所述夾角的大小控制運行速度。無需額外增加驅動機構，使得球形搬運機器人整體重量減輕，降低其耗能。通過兩個第一驅動電機來模擬兩側車輪的受力，當兩個第一驅動電機輸出的轉矩相同時，錐齒輪只有公轉，球殼保持直線滾動。當左右兩個第一驅動電機的輸出轉矩不同時，錐齒輪既有公轉又有自轉，球殼邊滾動邊轉向。當左右兩個第一驅動電機的輸出轉矩完全相反時，錐齒輪只有自轉沒有公轉，機器人原地轉彎。所述球形搬運機器人的轉向機構結構簡單，利用差速原理實現機器人的穩定轉向。

本實用新型的其它優點、目標和特徵將部分通過下面的說明體現，部分還將通過對本實用新型的研究和實踐而為本領域的技術人員所理解。

附圖說明

圖1為本實用新型其中一個實施例所述球形搬運機器人的結構示意圖；

圖2為本實用新型其中一個實施例所述球形搬運機器人的所述機械臂的結構示意圖；

圖3為本實用新型其中一個實施例所述球形搬運機器人的所述轉向機構的結構示意圖；

圖4為本實用新型其中一個實施例所述球形搬運機器人的所述轉向機構的結構示意圖；

圖5為本實用新型其中一個實施例所述球形搬運機器人直線運動時的受力示意圖；

圖6為本實用新型其中一個實施例所述球形搬運機器人直線運動時的受力示意圖.

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據以實施。

應當理解，本文所使用的諸如「具有」、「包含」以及「包括」術語並不排除一個或多個其它元件或其組合的存在或添加。

如圖1、圖3和圖4所示，本實用新型提供一種球形搬運機器人，其包括：

球形本體100，其包括球形外殼101和設置在球形外殼內部的驅動構件200和轉向機構300；

機械手臂400，其設置在所述球形本體100的兩側，釋放或夾持待搬運件，所述機械手臂400的一端連接至驅動構件200的輸出軸201，在驅動構件200的驅動下轉動與所述球形本體100的重心方向形成夾角，從而帶動所述球形本體100發生移動；

其中，所述轉向機構300包括：錐齒輪301，其設置在一支撐杆302的端部，所述支撐杆302的另一端固定連接在所述球形外殼101的內壁上，所述支撐杆302在徑向方向上向圓心延伸；

兩個第一驅動電機303，對稱設置在所述支撐杆302的兩側，所述第一驅動電機303的輸出端上設置有主動齒輪304；

以及從動軸305，其兩端分別設置有嚙合所述主動齒輪304的從動齒輪306和嚙合所述錐齒輪301的側齒輪307，第一驅動電機303通過輸出不同的轉矩實現球形搬運機器人的轉向。如圖3和圖4所示，本實用新型所述的轉向機構利用汽車差速器的原理，通過兩個第一驅動電機303模擬汽車兩側車輪的受力，當兩個第一驅動電機303輸出的轉矩相同(M1＝M2)時，兩側從動齒輪306帶動側齒輪307以相同的轉速轉動，此時所述錐齒輪301隻有公轉，球形本體100保持直線滾動。當第一驅動電機303的輸出轉矩不同(M1≠M2)時，所述主動齒輪304輸出的驅動力矩不同，傳遞至側齒輪307的轉矩也不同，那麼所述錐齒輪301既有公轉又有自轉，所述球形本體100就會邊滾動邊轉向。當第一驅動電機303的輸出轉矩完全相反時，錐齒輪301隻有自轉沒有公轉，所述球形本體100原地轉彎。由於轉向機構具有兩個方向的力矩輸出，因此，當轉向機構兩個電機輸出力矩相同時，轉向機構的力矩輸出與驅動機構力矩輸出同向，此時轉向機構也可以作為附加驅動單元使用，可增強機器人的爬坡及越障能力。所述球形外殼100主要用於實現所述球形搬運機器人的滾動運動、越障、爬坡等，還可以起到保護內部驅動構件和轉向機構的作用。所述球形外殼101使得球形搬運機器人在遇到坑窪路面時，能夠更加靈活地越過路面的坑窪，平穩前進。

在其中一個實施例中，如圖1所示，所述球形搬運機器人還包括一球形內殼500，其設置在所述支撐杆302上，收納所述錐齒輪301和所述側齒輪307；

所述從動軸305通過軸承穿設在所述球形內殼500的側壁上；所述從動齒輪306設置在所述球形內殼500的外部，所述側齒輪307位於所述球形內殼500的內部。所述內殼用於保持從動軸305，從而保證所述主動齒輪304的輸出穩定傳輸至所述錐齒輪301，保證球形本體的穩定性。

在其中一個實施例中，如圖1和圖2所示，所述機械手臂400為一對，對稱設置在所述球形外殼101的兩側；所述機械手臂400包括：臂部401，其固定端4011連接所述驅動構件的輸出軸201；所述臂部401至少部分中空，中空部分設置有第二驅動電機403；

以及爪402：其設置在所述臂部401的自由端4012，在第二驅動電機403的驅動下爪402張開或閉合，釋放或夾持待搬運件。

在其中一個實施例中，如圖2所示，所述爪402包括：活動手指4021，其通過一關節銷4023連接至所述臂部自由端4012，所述活動手指4021具有夾持端和尾端；

固定手指4022，與所述活動手指4021間隔設置在所述臂部401上，所述固定手指4022配合活動手指4021夾持待搬運件；

偏心輪4023，其連接在所述第二驅動電機403的輸出端；

驅動繩4024，其一端連接至所述偏心輪4023的周緣上，另一端固定在所述活動手指4021的尾端；

以及復位彈簧4025，其設置在固定手指4022和活動手指4021之間，一端固定連接固定手指4022，另一端固定連接活動手指4021；

所述偏心輪4023在第二驅動電機403的驅動下轉動，帶動驅動繩4024拉緊活動手指4021，實現爪402的夾持動作；在復位彈簧4025的回覆力作用下，實現爪402的釋放動作。所述爪402主要用於實現待搬運件的抓取，所述爪402通過驅動繩4024實現手指的張開，並通過復位彈簧4025實現手指的閉合。活動手指4021的第二驅動電機403位於機械手臂的臂部內，通過第二驅動電機403帶動偏心輪4023實現驅動繩的張緊、放鬆。

在其中一個實施例中，如圖1所示，所述支撐杆302為兩個，沿所述球形外殼101直徑方向上對稱設置。由此，保證所述球形搬運機器人穩定移動。

在其中一個實施例中，如圖1所示，所述球形搬運機器人還包括球形中間殼600，其連接在所述支撐杆302上，收納所述內殼500；所述球形中間殼600的側壁上固定有支撐艙601；所述第一驅動電機303設置在所述支撐艙601內。所述支撐艙601用於實現轉向機構與球形搬運機器人剩餘部分的慣量匹配，以實現球形搬運機器人快速轉彎。

在其中一個實施例中，如圖1所示，所述驅動構件200包括：軸承202，其固定在所述球形外殼101側壁上；

載荷艙203，其固定在所述球形外殼101的內壁上；

以及第三驅動電機204，其設置在所述載荷艙203內部，所述第三驅動電機204的輸出軸201穿出所述載荷艙203，配合所述軸承202，延伸至所述機械手臂400上。所述載荷艙203用於驅動構件與球形搬運機器人其他部分的慣量匹配，以實現球形搬運機器人快速運行。

在其中一個實施例中，如圖1所示，所述臂部401內還設置有牽引軸4026，所述驅動繩4024部分纏繞至所述牽引軸4026上。所述牽引軸4026牽引所述驅動繩4024遠離臂部的內壁，避免所述驅動繩4024纏繞打結。

在其中一個實施例中，如圖5-6所示，本實用新型所述球形搬運機器人機器人負重運動時的受力，負載本身的重力G產生前傾力矩Mp，為了保持機械手臂400相對地面的姿態，球形外殼101內部的第一驅動電機303施加反向力矩Ma，根據牛頓第三定律，此時球形搬運機器人受到一個等大反向的力矩-Ma，此力矩使得球形搬運機器人產生前向滾動角速度ω。

由機械手臂400受力平衡得到：

Ma＝Mp

由球形本體100受力平衡得到：

Ma＝Mf

Mf為球形搬運機器人所受到的地面滾動摩阻。

由此計算得到，此時機械手臂400與重力方向的夾角，即球形搬運機器人慾維持此運動狀態，第三驅動電機204必須驅動機械手臂400偏離重力方向的夾角為：

式中，G為負載重力，L為機械臂長度。

儘管本實用新型的實施方案已公開如上，但其並不僅僅限於說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用於各種適合本實用新型的領域，對於熟悉本領域的人員而言，可容易地實現另外的修改，因此在不背離權利要求及等同範圍所限定的一般概念下，本實用新型並不限於特定的細節和這裡示出與描述的圖例。