本發(fā)明屬于機(jī)器人智能控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及的是一種能遙控、有部分自主功能的新型結(jié)構(gòu)球形機(jī)器人。

背景技術(shù)：

球形機(jī)器人與輪形移動(dòng)機(jī)器人相比，有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。輪形移動(dòng)機(jī)器人易受污染，也不能翻倒且轉(zhuǎn)向會(huì)存在死區(qū)；由于其慣性不足導(dǎo)致其越過(guò)粗糙表面的能力較弱。球形機(jī)器人是一種新型結(jié)構(gòu)的滾動(dòng)行走機(jī)器人，是一個(gè)全封閉的個(gè)體，具有速度快、越野能力好、控制相對(duì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的追捧和重視，逐漸成為國(guó)內(nèi)外機(jī)器人智能控制研究領(lǐng)域的重點(diǎn)之一。

1996年芬蘭的halme等人制作了第一臺(tái)具有真正意義上的球形機(jī)器人，該球形機(jī)器人的球殼內(nèi)設(shè)計(jì)了一套單輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)球體運(yùn)動(dòng)，通過(guò)改變球體的重心實(shí)現(xiàn)球體的直線運(yùn)動(dòng)，但由于單輪驅(qū)動(dòng)的局限性，并不能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全方位運(yùn)動(dòng)。2005年,瑞典的烏普薩拉大學(xué)發(fā)明出一種兩驅(qū)動(dòng)球型機(jī)器人。該球形機(jī)器人有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，一個(gè)驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)軸繞球的直徑方向轉(zhuǎn)動(dòng)，另一個(gè)驅(qū)動(dòng)重物在與長(zhǎng)軸的同一平面上擺動(dòng)。通過(guò)這兩種運(yùn)動(dòng)的合成以達(dá)到球形機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎，但該方式下小球轉(zhuǎn)彎半徑很大且并不能夠?qū)崿F(xiàn)全方位的運(yùn)動(dòng)。

球形機(jī)器人在近十多年來(lái)得到眾多單位和學(xué)者的關(guān)注。上海交通大學(xué)的金康進(jìn)等學(xué)者提出了一種四驅(qū)動(dòng)的球形機(jī)器人：球體內(nèi)部有4個(gè)相互對(duì)稱的電機(jī)，每個(gè)電機(jī)上配有一個(gè)偏心重物，電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)重塊運(yùn)動(dòng)改變球體重心從而實(shí)現(xiàn)向特定方向的滾動(dòng)，但由于小球體積過(guò)大，運(yùn)動(dòng)速度慢，穩(wěn)定性較差，很難實(shí)現(xiàn)球體的平穩(wěn)運(yùn)行。南京航空航天大學(xué)楊忠等人的發(fā)明“全方位運(yùn)動(dòng)球形機(jī)器人”：主輪在行走電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下沿球殼內(nèi)側(cè)滾動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)球體作直線運(yùn)動(dòng)，半圓架上方的質(zhì)量塊和水平桿在其轉(zhuǎn)向電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下沿圓弧架運(yùn)動(dòng)，使球體重心左右偏移，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向控制，該結(jié)構(gòu)的機(jī)器人利用不完整系統(tǒng)的特點(diǎn)使用2個(gè)電機(jī)構(gòu)成不完全的三自由度。由于質(zhì)量小車(chē)沿著圓弧架運(yùn)動(dòng)時(shí)受到圓弧架轉(zhuǎn)動(dòng)副的限制，其轉(zhuǎn)向范圍小于半球區(qū)間，存在運(yùn)動(dòng)死角，當(dāng)球形機(jī)器人由于外力的作用翻轉(zhuǎn)到機(jī)器人短軸位置時(shí)，機(jī)器人無(wú)法動(dòng)彈，失去移動(dòng)功能。

現(xiàn)有球形機(jī)器人雖各有其特點(diǎn)，但總體來(lái)說(shuō)結(jié)構(gòu)都很復(fù)雜，同時(shí)大都存在工程量較大、實(shí)用性較低等不足之處。特別是在轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)與前進(jìn)運(yùn)動(dòng)耦合方面，有些裝置如果處理不好，會(huì)導(dǎo)致球體內(nèi)部驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)狀態(tài)不確定，影響球體的實(shí)際運(yùn)動(dòng)，從而大大增加了控制難度，很多還會(huì)存在運(yùn)動(dòng)死區(qū)，極少能在任意點(diǎn)原地轉(zhuǎn)向，不能進(jìn)行全方位運(yùn)動(dòng)，大大限制了機(jī)器人使用的空間，且未見(jiàn)球殼相對(duì)地面的原地轉(zhuǎn)向方式；同時(shí)很多機(jī)器人無(wú)外部固定接口或球殼外不能搭載附件，使得在實(shí)際使用中調(diào)試、充電與維護(hù)可能存在困難，限制了各種探測(cè)傳感器和機(jī)械手的使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)新穎、控制簡(jiǎn)單、可控性好、實(shí)用性強(qiáng)的新型結(jié)構(gòu)球形機(jī)器人，克服現(xiàn)有技術(shù)方案的不足。

由此本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種機(jī)械陀螺儀結(jié)構(gòu)球形機(jī)器人，包括球殼1及其內(nèi)部行走驅(qū)動(dòng)裝置；所述行走驅(qū)動(dòng)裝置包括x軸電機(jī)6、支撐架8、y軸電機(jī)9以及控制板11；

x軸電機(jī)6為兩臺(tái)，固定在支撐架8的左右兩側(cè)，x軸電機(jī)6的軸端固定在球殼1上，構(gòu)成前后滾動(dòng)機(jī)構(gòu)；y軸電機(jī)9為兩臺(tái)，固定在控制板11的前后兩側(cè)，且y軸電機(jī)9的軸端固定在支撐架8上，保持x軸電機(jī)6和y軸電機(jī)9的軸向相互垂直，控制板11的正下方固定有配重12，整個(gè)構(gòu)成轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)；

靜止?fàn)顟B(tài)下，控制板11保持水平狀態(tài)，當(dāng)x軸電機(jī)6轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，球殼1轉(zhuǎn)動(dòng)，使得球形機(jī)器人前后運(yùn)動(dòng)；當(dāng)y軸電機(jī)9轉(zhuǎn)動(dòng)，使得控制板11和支撐架8產(chǎn)生夾角，由于重心在控制板11的正下方，所以控制板11保持水平，此時(shí)支撐架8在x軸上產(chǎn)生夾角，若同時(shí)x軸電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，球形機(jī)器人的軌跡將是一個(gè)圓，且圓的半徑和夾角有定量關(guān)系；在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中改變控制板11和支撐架8的夾角從而改變球體的運(yùn)動(dòng)方向和軌跡。

進(jìn)一步,所述球形機(jī)器人采用機(jī)械陀螺儀結(jié)構(gòu),本身具有很好的定向特性。

進(jìn)一步,所述支撐架8為中空的類(lèi)圓環(huán)，或者為中空的橢圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)，或者為規(guī)則多邊形結(jié)構(gòu)，該多邊形結(jié)構(gòu)能夠保證x軸電機(jī)、y軸電機(jī)9的軸端在空間上有相互垂直的固定點(diǎn)。

進(jìn)一步,y軸電機(jī)9的軸上裝有齒輪a3，并與電位器5軸上裝有的齒輪b4相互嚙合。

進(jìn)一步,所述電位器5通過(guò)齒輪傳動(dòng)測(cè)量出控制板11和支撐架8的夾角，從而改變球形機(jī)器人的轉(zhuǎn)向。

進(jìn)一步,還包括集電環(huán)10，通過(guò)集電環(huán)10將一對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)接到y(tǒng)軸電機(jī)以更好地實(shí)現(xiàn)供電需求。

進(jìn)一步,所述集電環(huán)10一端固定在控制板11上，另一端固定在支撐架8上，同時(shí)y軸電機(jī)的軸承與集電環(huán)的中心是同心的，同時(shí)集電環(huán)10的兩端可以相對(duì)滑動(dòng)。

進(jìn)一步,x軸電機(jī)和y軸電機(jī)均采用固定座7固定。

進(jìn)一步,球殼1外可附加一些減震材料。

本方案的優(yōu)點(diǎn)是：

1)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制精度高，成本較低。

2)電機(jī)軸與球殼固定，電機(jī)與重物固定，且重物重心較低，整個(gè)系統(tǒng)的重心在球體的中下部，穩(wěn)定性好，系統(tǒng)響應(yīng)速度快。

3)球體結(jié)構(gòu)本身采用陀螺儀結(jié)構(gòu)，本身具有很好的定向特性。

4)測(cè)量角度采用單圈連續(xù)電位器作為傳感器，利用控制器的ad轉(zhuǎn)換功能，讀取電壓即可計(jì)算得到角度。

5)兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)球體的前進(jìn)和轉(zhuǎn)向，經(jīng)測(cè)試，可控球可以很好地實(shí)現(xiàn)在地面上朝任意方向滾動(dòng)且死區(qū)很小。

附圖說(shuō)明

圖1為陀螺儀結(jié)構(gòu)球形機(jī)器人前后運(yùn)動(dòng)原理示意圖。

圖2為機(jī)械陀螺儀結(jié)構(gòu)球形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為陀螺儀結(jié)構(gòu)球形機(jī)器人受力運(yùn)動(dòng)示意圖。

1-球殼；2-軸承座；3-齒輪a；4-齒輪b；5-電位器；6-x軸電機(jī)；7-電機(jī)固定座；8-支撐架；9-y軸電機(jī)；10-集電環(huán)；11-控制板；12-配重。

具體實(shí)施方式

如圖1所示,陀螺儀結(jié)構(gòu)球形機(jī)器人前后運(yùn)動(dòng)原理示意圖。電機(jī)軸與球殼1固定，電機(jī)和配重12固定，且配重12重心較低，整個(gè)系統(tǒng)的重心幾乎在配重12的中心。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，假設(shè)配重12足夠重，可以使外面球殼1轉(zhuǎn)動(dòng)，從而產(chǎn)生向前滾動(dòng)的動(dòng)力，如果配重12不夠重，被抬起一定高度，將產(chǎn)生mg·sinθ·r的扭矩，使球體向前滾動(dòng)。

如圖2所示，機(jī)械陀螺儀結(jié)構(gòu)球形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖,由球殼1及其內(nèi)部行走驅(qū)動(dòng)裝置組成。其行走驅(qū)動(dòng)裝置由x軸電機(jī)6、支撐架8、y軸電機(jī)9以及控制板11組成。x軸電機(jī)6通過(guò)電機(jī)固定座7固定在支撐架8上，x軸電機(jī)6的軸固定在球殼1上，構(gòu)成前后滾動(dòng)機(jī)構(gòu)；y軸電機(jī)9固定在控制板11上，y軸電機(jī)9的軸固定在支撐架8上，且x軸電機(jī)6和y軸電機(jī)9的軸向相互垂直，采用集電環(huán)10原理供電，配重12固定在控制板11的正下方，整個(gè)構(gòu)成轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)；靜止?fàn)顟B(tài)下，控制板11保持水平狀態(tài)。當(dāng)x軸電機(jī)6轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，球殼1轉(zhuǎn)動(dòng)，使得球形機(jī)器人前后運(yùn)動(dòng)；當(dāng)y軸電機(jī)9轉(zhuǎn)動(dòng)，使得控制板11和支撐架8產(chǎn)生夾角，由于重心在控制板11的正下方，所以控制板11保持水平，此時(shí)支撐架8在x軸上產(chǎn)生夾角；電位器5的軸上裝有齒輪b4，并與y軸電機(jī)9軸上齒輪a3嚙合，電位器5可以通過(guò)齒輪傳動(dòng)測(cè)量出控制板11和支撐架8間的夾角；若此時(shí)x軸電機(jī)6轉(zhuǎn)動(dòng)，球形機(jī)器人的軌跡將是一個(gè)圓且圓的直徑和夾角有定量關(guān)系；在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中改變支撐架8和控制板11的夾角可以實(shí)現(xiàn)任意方向的轉(zhuǎn)向。

電位器5的軸上裝有一個(gè)齒輪4，它與y軸電機(jī)軸上的齒輪3相嚙合，電位器5固定在控制板11上；集電環(huán)10一端固定在控制板11上，另一端固定在支撐架8上，同時(shí)y軸電機(jī)的軸承與集電環(huán)的中心是同心的，集電環(huán)的兩端還可以相對(duì)滑動(dòng)。

如圖3所示，陀螺儀結(jié)構(gòu)球形機(jī)器人受力運(yùn)動(dòng)示意圖。運(yùn)動(dòng)規(guī)律為：選用兩對(duì)軸向相互垂直的電機(jī)即x軸電機(jī)6和y軸電機(jī)9；球半徑為r，x軸電機(jī)6通過(guò)電機(jī)固定座7固定在支撐架8上，x軸電機(jī)6的軸固定在球殼1上；控制板11保持水平，支撐架8與控制板11之間的夾角是θ；x軸電機(jī)6轉(zhuǎn)動(dòng)提供前進(jìn)動(dòng)力；y軸電機(jī)9轉(zhuǎn)動(dòng)用于改變方向；x軸電機(jī)6和y軸電機(jī)9可以分時(shí)運(yùn)動(dòng)，也可以同時(shí)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)y軸電機(jī)9單獨(dú)運(yùn)動(dòng)時(shí)，球形機(jī)器人呈絕對(duì)直線運(yùn)動(dòng)；x軸電機(jī)6運(yùn)動(dòng)且速度較慢時(shí)，球形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡呈半徑為r的圓，且半徑r的大小與支撐架8與控制板11之間的夾角θ有關(guān)，即：

特殊情況：當(dāng)θ為0度時(shí)即x軸電機(jī)6單獨(dú)運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)行半徑r無(wú)窮大，運(yùn)動(dòng)軌跡是一條直線；當(dāng)θ為90度時(shí)，運(yùn)行半徑r為零，球形機(jī)器人原地打轉(zhuǎn)。

關(guān)于本發(fā)明還有如下特征：

1)配重12可以是電路板、電池等。

2)內(nèi)部放置一個(gè)鋰電池給整個(gè)系統(tǒng)供電，一對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)接在內(nèi)部電機(jī)，另一對(duì)通過(guò)集電環(huán)接到外部電機(jī)以滿足供電需要。

3)采用機(jī)械陀螺儀結(jié)構(gòu)，本身具有很好的定向特性，同時(shí)設(shè)置兩對(duì)軸向相互垂直的電機(jī)以實(shí)現(xiàn)任意方向的滾動(dòng)。

4)兩對(duì)電機(jī)采用固定座7固定，防止松動(dòng)脫落。

綜上，上述機(jī)械陀螺儀結(jié)構(gòu)球形機(jī)器人主要由球殼，x軸電機(jī)，支撐架，y軸電機(jī)，控制板組成。x軸電機(jī)固定在支撐架上，x軸電機(jī)的軸固定在球殼上。y軸電機(jī)固定在控制板上，y軸電機(jī)的軸固定在支撐架上，且x軸電機(jī)與y軸電機(jī)軸向相互垂直，配重固定在控制板正下方使得球體重心在球的幾何中心的下方，靜止?fàn)顟B(tài)下控制板保持水平狀態(tài)。當(dāng)x軸電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，球殼轉(zhuǎn)動(dòng)，使得球形機(jī)器人前后運(yùn)動(dòng)。當(dāng)y軸電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使得控制板和支撐架產(chǎn)生夾角。由于重心在控制板的正下方，所以控制板保持水平，此時(shí)支撐架在x軸上產(chǎn)生夾角。若x軸電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，球形機(jī)器人的軌跡將是一個(gè)圓，且圓的直徑和夾角有定量關(guān)系。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中改變控制板和支撐座的夾角從而實(shí)現(xiàn)拐彎。