高机动球形探测机器人制造技术

高机动球形探测机器人，将运动机构和控制器件等包含在一个球形壳体内，通过重心偏移与角动量守恒原理来实现整个机器人的运动。运动机构主要由支撑架、连接盘、直线驱动机构、原地转向驱动机构、伸缩机构等构成。直线驱动机构主要包括：驱动电机、齿轮传动单元、执行部件等，它利用重心偏移来实现球形机器人的直线运动。原地转向驱动机构包括驱动电机和执行机构，利用角动量守恒原理来实现原地转向运动。直线和转向运动相结合就可以实现机器人任意方位的运动。伸缩机构包括驱动电机、螺旋机构等用来实现两端摄像头伸出和缩回球壳。该球形机器人既提供了安装摄像机的稳定平台，又可以实现原地转向，运动灵活、机动性强，可用于星球探测等多种任务。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种可用于环境探测、星球探测及缺少人为干预环境巡逻的 球形探测机器人系统。
技术介绍
球形机器人是一种将运动机构和控制器件等包含在一个球形壳体内的 系统的总称。由于这类机器人具有良好的动态和静态平衡性，因此不会因为 碰撞或跌落而产生失稳状态。同时，由于其机电、传感和控制部件都包括在 这个球壳之中，因此具有很好的密封性，可以在沙尘、潮湿、腐蚀性的恶劣环境中工作。A. Halme, T. Schonberg and Y. Wang, Motion Control of a Spherical Mobile Robot, 4th IEEE International Workshop on Advanced Motion Control AMC'96， Mie University, Japan 1996.介绍了芬兰的AameHalme设计的一种球形机器人并申请了专利，该球形机器人采用了一个在球 壳内滚动的轮来驱动整个球形机器人的运动；Antonino Bicchi， AndreaBalluch， etc. Introducing the "SPHERICLE": an experimental testbed for research and teaching in nonholonomy. In: Proceedings of the 1997 IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, Albuquerque, New Mexico, April 1997:2620-2625.介绍了意大利比萨大学的Antonio bicchi等专利技术的一种结 构不同的球形机器人，该球形机器人主要是放置一辆小车于球壳中，通过对 小车的控制来实现机器人的运动；Michaud F. and Theberge-Turmel. Mobile robotic tpys and autism. In Dautenhahn， K., Bod. A Socially Intelligent Agents Creating Relationships with Computers and Robots. Kluwer Academic, 2002.介纟召了力口拿大6勺Francois Michaud禾口Serge Caron 研制 一个玩具用途的球形机器人，他们通过调整悬挂在主轴上的重物来实现机器人的转向；中国专利技术专利申请号01118269.X,改进的球形机器人全方 位行走机构公开了北京邮电大学孙汉旭教授申请的一个全方位球形机器人 的专利，它是通过球内的一个全方位运动机构来实现球形机器人的运动。申 请人与合作者也曾申请了一个球形机器人的专利，它是通过电机直接带动球 壳来前进后退，通过摆动一重物来实现球形机器人的转弯。球形机器人的一个主要的用途是可以进行探测或观测，但上述专利技术或设 计的球形机器人只追求运动的灵活性，而忽略了具体应用中传感器等设备的 加装问题。由于球形机器人只能采用遥控或自主的方式来运动，在这两种方 式下，如果让机器人在远距离或有遮挡的环境中运动，都需要传感器的辅助， 如视觉传感器，遥控者在视觉信息的指引下可以让球形机器人按着任务的需 要进行合理的动作，同时球形机器人也可以在视觉信息的导引下做一些自主 运动。如果无法为视觉等传感器提供一个稳定的安装平台，传感器会随着球 形机器人转动，这时传感器提供的不是某个确定方向的有用环境信息，而是 不稳定的机器人附近的信息，这些信息无法为机器人的运动提供合理的指 导。为了能够为球形机器人提供合理有效的传感信息，需要在球形机器人上 为传感器提供一个不随机器人转动的安装位置。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是克服现有技术的不足，不仅可以提供一种不 随球壳转动、便于安装和使用传感器的平台，为系统控制提供稳定的图像， 并且传感器可以伸出和缩回球壳，以适用于对不同的工作环境进行探测。此 外，球形机器人可以灵活地完成前进、后退、左转、右转、爬坡和越障等运 动功能，同时要使其具有零半径原地转向功能，以使其可以在狭小的工作空 间进行探测。本专利技术的技术解决方案是高机动球形探测机器人，包括球壳，其特征 在于两个连接盘固连于球壳内部，直线运动驱动电机通过齿轮啮合直接驱 动球壳做直线运动；两连接盘上分别装有通过球形轴心方向的滚动轴承，一个倒立的门形支撑架通过滚动轴承与连接盘相连，此支撑架在运动过程中不 随球壳转动，与地面保持水平，其底部通过推力球轴承连接有重块，回转运动驱动电机可以带动重块相对倒立门形支撑架做旋转运动；支撑架上还装有螺旋机构，其上的左旋螺母和右旋螺母上分别与相机连接杆固联，相机连接 杆上分别装有两个摄像头，通过控制伸缩机构驱动电机从而控制摄像头的伸 出和缩回。在本专利技术中，机器人前进及后退的直线运动采用重心偏移原理，机器人 的原地正反回转运动采用角动量守恒原理。直线运动驱动单元与球壳固连， 驱动单元与球壳的接触良好，对球壳的要求相对弱一些。回转运动通过重块 的旋转实现，所以可以实现零半径转弯，提高了运动灵活性。本专利技术中，高 机动球形机器人为摄像头等传感器提供了一个稳定的安装平台，摄像头装在 伸缩机构上，机构根据需要伸出或缩回球壳内，从而对摄像头进行有效的保护。本专利技术与现有技术相比的有益效果1、 该高机动球形机器人利用重心偏移来实现其前进及后退直线运动， 结构简单、运动灵活、可控性好；利用角动量守恒实现其原地零半径转变方 向，使得球形机器人机动性高；该高机动球形机器人在中轴的左右两侧各有 一个可伸缩的相机支架，在球形机器人运动的过程中可相对地面保持水平， 为摄像机等传感器提供一个相对稳定的安装平台；该球形机器人还具有遥控 运动功能，可以由操纵者根据反馈图像遥控球形机器人运动，该机器人所有 机构、器件都密封在球壳内部，可以阻止外部环境对内部器件造成伤害，所 以可以完成诸如野外开发、排雷、剧毒气体检测、现场环境观测及星球探测 等多种任务。2、 本专利技术不同于以往的专利内容主要表现在该高机动球形机器人具 有独特的内部运动机构，分别利用重心偏移来实现直线运动，利用角动量守恒实现原地零半径转向，利用螺旋机构实现两个摄像头的伸缩运动，使得该球形机器人运动灵活，机动性强。原地转向机构可实现对周围环境的360 度扫描探测，摄像头的伸缩机构可在需要时伸出摄像头、不需要时缩回摄像 头，既保护了摄像头又可以提高球形机器人通过狭窄环境的能力。此外，该 高机动J求形机器人两端的相才几支架不随机器人转动，相对地面保持水平，可 以为传感器等提供一个相对稳定的安装平台。机械结构上保证了球形机器人 具有较好的刚性和配合精度，从而减小由于机械变形或传动间隙引起的运动 误差。所以该球形机器人可以在复杂环境下工作，可靠性高。附图说明图1为本专利技术的整体结构示意图2、 3、 4为本专利技术的内部运动机构结构示意图。具体实施方式如前图所示，本专利技术实施方式为球壳19内部两侧对称装有与球壳固 连的两个连接盘3，两连接盘3上分别装有通过球形轴心方向的滚动轴承5, 一个倒立的门形支撑架1通过滚动轴承5与连接盘相连，此支撑架在运动过 程中不随球壳19转动，与地面保持水平；门形支撑架1 一侧本文档来自技高网...

【技术保护点】
高机动球形探测机器人，包括球壳（１９），其特征在于：两个连接盘（３）固定对称连接在球壳（１９）的内部，不随球壳（１９）转动的一个支撑架（１）的两端分别通过滚动轴承（５）和连接盘（３）相连；直线运动机构的驱动电机（４）安装在支撑架（１）上，电机（４）的转动通过一对齿轮（２、１１）将运动传给连接盘（３），进而驱动球壳（１９）转动，来实现球形机器人的直线运动；原地转向运动机构的驱动电机（１２）通过电机支撑座（２３）固定在支撑架（１）上，电机（１２）输出轴通过连接轴（２１）、推力球轴承（２２）及螺栓（２５）连接重块（２０）并驱动其高速旋转，从而使球壳（１９）进行原地反向转动；摄像头伸缩机构的电机（６）通过齿轮（１０、１７）传动带动丝杠（１６）旋转，而丝杠（１６）的左右两侧分别为右旋和左旋螺纹，当丝杠（１６）旋转时，其上两个螺母（１４、１８）会沿光杆（１５）进行背向或相向运动，两个相机连接杆（９）分别固定安装在螺母（１４、１８）上，通过螺母的运动带动一起运动，实现球形机器人左右两侧的相机支架（８）伸出和缩回球壳（１９）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：战强，刘美苓，蔡尧，叔广慧，
申请(专利权)人：战强，
类型：实用新型
国别省市：11[中国|北京]