一种行星轮和蜗轮蜗杆传动驱动的球形机器人的制作方法

一种行星轮和蜗轮蜗杆传动驱动的球形机器人的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种行星轮和蜗轮蜗杆传动的球形机器人，它包括球壳和位于球壳内部的行走驱动装置；所述的球壳为多瓣式壳体，所述的行走驱动装置包括两个电机、行星齿轮机构、蜗轮蜗杆机构和配重机构。所述的球壳由正面球壳和侧面球壳组成，正面球壳分为4瓣，每瓣圆弧恰好90°，贴合后正好成为一个球体；侧面球壳分为2瓣，分布在球壳的两侧；所述行走驱动装置的两个电机中的一个电机甲通过行星齿轮机构连接传动配重机构，使一个重物盒前后摆动；而两个电机中的另一个电机乙通过蜗轮蜗杆机构连接传动配重机构，使所述重物盒左右摆动。本发明结构新颖紧凑、质量小、承载能力大、效率高及寿命长，可以更好地适应极地恶劣环境以及实现勘探和检测。
【专利说明】一种行星轮和蜗轮蜗杆传动驱动的球形机器人
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种行星轮和蜗轮蜗杆传动驱动的球形机器人，是一种可以运用于极地科考探测的球形机器人。属于新型机器人开发的领域。
【背景技术】
[0002]南极被人们称为第七大陆，是地球上最后一个被发现、唯一没有土著人居住的大陆。但是在这天寒地冻之下，却有着极其重要的考察意义。南极地区的矿产资源极为丰富，蕴藏的矿物有220余种。面对如此丰富的资源，人类必然需要进行勘探，研究，以便将来对它们的使用。所以，机器人便成为了侦察装置的首要选择。随着现代科学技术的发展，勘探机器人形式多种多样，可分为轮式、多足式、履带式、球形等。美国在进行月球勘探和火星探险时使用的都是轮式的机器人，虽然它移动快，承载能力强，但是在遇到路面崎岖时便难以发挥它的能力。所以，如何设计一种移动速度快，越野性能好的全方位运动机器人，是一个很有研究价值的领域。球形机器人就是为这一目的而产生的。
[0003]与传统的机器人相比，球形机器人具有以下一些优点:在结构方面，球形机器人结构简单，控制方便，结构紧凑，占用空间小，并受到很好的保护；在性能方面，球形机器人的理论转弯半径为零，不用担心侧翻、翻倒等现象，运动阻力小，方向可控性强，具有很强的路面适应能力；在应用方面，球形机器人外部除壳体和部分螺钉以外，没有重要部件暴露在外，以及它的全封闭性，因此可以穿越水面、坑槽等恶劣的路面环境。正因如此，所以球形机器人成为一种人类开始开发和研究的新型勘探机器人，它具有广泛的研究空间和应用前
旦 [0004]自二十世纪九十年代，`就已经开始有球形机器人的研究和开发，国内国外的科学家研究员们都相继提出各式各样结构不同，驱动原理不同的球形机器人，这也使得球形机器人的技术得以迅速地发展。
[0005]芬兰赫尔辛基大学的海尔姆(Halme)等人于1996年制作了第一个球形机器人。球内设计了一套独轮内部驱动机构(Inside Drive Unit),依靠轮的滚动来改变配重重心位置，产生驱动力矩，从而使球形机器人向前滚动。
[0006]巴塔查亚(Bhattacharya)和阿格拉瓦(Agrawal)在2000年提出了一种球形滚动机器人，
它的外壳由上、下两个半球壳组成。在每个半球壳内部均包含有接收器、电机设备、转子和蓄电池，电池安装在电机转子轴上。它的驱动系统是由两个互相垂直的转子构成的。
[0007]哈瓦蒂(Javadi)和莫哈比(Mojabi)在2002年开发了一种全方位球形运动机器人，将它命名为“August”。August的驱动系统是由四个螺丝状的轮辐所构成的，它们安装在一个四面形结构的器件上，彼此之间互成109.47°，每个轮辐上携带有1.125kg重的砝码，能够进行上下升降，控制升降运动的电机直接安装在轮辐之上。但是这种球形机器人的缺陷在于由于砝码移动较慢，所以控制过程中响应慢，遇到紧急情况无法迅速做出动作，在恶劣环境中无法迅速适应。[0008]2005年，瑞典乌普萨拉大学的布鲁恩(Bruhn)等人研制出了一种用于星球探测的球形机器人，该机器人由一根长轴和一个配重块组成，它有两个驱动电机，一个电机驱动长轴转动，另一个电机驱动配重块，使其在与长轴的同一平面上摆动，这两种运动的合成实现了球形机器人的全方位运动。
[0009]我国在球形机器人研究方面起步较晚，但是，到目前为止，北京邮电大学、北京航空航天大学、上海交通大学、苏州大学、西安电子科技大学等院校都在球形机器人研究方面取得了一定研究成果。
[0010]我国第一台球形机器人样机是由北京邮电大学孙汉旭教授领导的课题组在2001年研制出来的。该球形机器人通过不断调节和改变配重的位置，因而产生转动驱动力矩，实现球形机器人的滚动。其运动的具体实现方式是通过两个电机分别驱动两组齿轮传动机构，从而带动相应的配重块向一定的方向偏转，以改变机器人的整体重心位置，最终使得整个球体向一定的方向移动。
[0011]2001年北京航空航天大学的战强教授领导的课题组研制了一种球形机器人BHQ-1，该机器人共采用两个直流电机，其中电机I通过传动系统与外球壳相连，可直接驱动球壳前进和后退；电机2通过传动系统与重物连接，可通过摆动重物来改变机器人的重心，从而使机器人实现转弯运动。
[0012]哈尔滨工业大学宇航与空间机构研究所在2002年设计制造了一种名为“球形运动器”的装置。该运动器是由轴线共线的两个电机来进行控制的，分别实现运动器的驱动和转向两种运动方式。
[0013]2005年，西安电子科技大学李团结教授等人提出了一种内置稳定平台的球形机器人，由外球壳、内球壳、位于内球壳中的稳定平台、位于内外球壳之间的驱动机构组成。驱动机构为四台直线电机分别在四个空间对称的轮辐上径向移动，改变系统重心位置，驱动球形机器人在平面上全向滚动。
[0014]发展到现今为止的球形机器人，特别是国内的球形机器人，由于运用的驱动原理都是利用重力矩进行驱动，所以内部结构大都很相似，所用机械零部件也都大同小异，缺乏一些新颖的内部结构的尝试。

【发明内容】

[0015]本发明的目的是在现有的球形机器人技术的基础上，提供一种内部结构新颖的、运用新的机械结构组成的、稳定性好的、能全向运动的行星轮和蜗轮蜗杆传动驱动的球形机器人。
[0016]为达到上述目的，本发明所采用的构思是:本发明提供的新型结构的球形机器人，由球壳以及内部的行走驱动装置组成。球壳外围最大直径为I米。球壳分为正面和侧面两部分，正面球壳分为四瓣，每瓣球壳圆弧所占角度为90度，均匀分布在驱动装置外围，正好形成球体；侧面两个球壳呈圆盘状，左右各一个。侧面球壳与正面球壳上均打了螺纹孔，两者之间用螺钉进行连接。这样的球壳设计是为了减少在维修机器人时拆卸所会造成的繁琐，同时也能更方便工作人员对其进行安装。该行走驱动装置由行星齿轮机构、蜗轮蜗杆机构、配重机构组成。
[0017]根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案: 一种行星轮和蜗轮蜗杆传动驱动的球形机器人，包括球壳和位于球壳内部的行走驱动装置；其特征在于:所述的球壳为多瓣式壳体，所述的行走驱动装置包括两个电机、行星齿轮机构、蜗轮蜗杆机构和配重机构。
[0018]所述的球壳由正面球壳和侧面球壳组成，正面球壳分为4瓣，每瓣圆弧恰好90°，贴合后正好成为一个球体；侧面球壳分为2瓣,分布在球壳的两侧；
所述行走驱动装置的两个电机中的一个电机甲通过行星齿轮机构连接传动配重机构，使一个重物盒前后摆动；而两个电机中的另一个电机乙通过蜗轮蜗杆机构连接传动配重机构，使所述重物盒左右摆动。
[0019]所述的行星齿轮机构的内齿中心轮一头与行星轮啮合，另一头做成法兰状，与法兰筒用螺栓连接固定。法兰筒的另一侧则与侧面球壳用螺钉进行连接。4个行星齿轮的轴之间用固定环固定，保证在运动过程中4根轴之间距离不变。4个行星齿轮和中心轮与其对应轴的连接均使用键连接。4个行星齿轮一边与中心轮啮合，一边则与内齿轮啮合。中心轮一端用法兰状的轴承座支撑，另一端经另一个法兰状的轴承座，通过联轴器与电机相连。电机固定于法兰状的轴承座上，该电机即为驱动球体前后运动的电机，该轴承座依靠法兰与内齿中心轮用螺钉进行连接。与行星轮系相对称的一边，称为行星滚轮系。其运动原理与行星轮相同，不同的在于，它的所有轮都是没有齿的光轮，而且加工要求及材料都可比行星齿轮系底，因为它的作用只是跟随齿轮系一起转动，所以将其中心滚轮用螺钉固定在内滚轮上。另外4个行星滚轮与轴同样用键连接，光滑面贴合在内滚轮上。
[0020]所述的蜗轮蜗杆机构布置在行星齿轮轴中间的箱体内。该箱体铸造而成，4根行星轮轴穿过其中，并在经过箱体处套上轴承以增加箱体的承载能力，轴承座用螺钉连接固定在箱体上。蜗杆在箱体内一端经联轴器与电机相连，该电机则为最终驱动机器人左右滚动的电机，电机通过其上法兰固定在箱体上；另一端套以轴承，经轴承座用螺钉连接固定于箱体上。蜗轮与蜗杆相啮合，以轴肩和轴向挡圈定位在配重横轴上，并用键与横轴相连。配重横轴从前后穿过箱体。该箱体分为两块，前后各一块，其连接方式采用内嵌重叠式连接，即其中一块箱体尺寸要比另一块小，可以直接插到比较大的箱体内部，重叠一小部分，并在重叠处用螺钉进行固定。
[0021]所述的配重机构布置在配重横轴上。配重横轴穿过箱体以后，两端分别以轴肩定位，套上配重竖轴，并用轴端挡圈和螺钉进行固定。配重竖轴末端是一块薄的长方形板，居中位置打有2个均匀排列的螺纹孔，则2个重物箱分别从两侧用螺栓连接固定在配重横轴末端的薄板上。
[0022]本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进
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少:
I)该机器人内部整体结构对称，各机械部件都均匀分布，所以运动稳定性好，重物布置在球体靠近底部的位置，使得球体的重心下移，更加易于对其运动的控制。
[0023]2)传动系统中使用了行星齿轮系，所以使得该机器人结构紧凑、质量小、承载能力大、传递功率范围及传动范围大、运行噪声小、效率高及寿命长。
[0024]3)传动系统中还使用了蜗轮蜗杆系统，同样使得该机器人具有较大的承载能力，且传动平稳，噪音小，同时因为控制前后运动的轴和控制左右运动的轴是90°交错的，所以使用蜗轮蜗杆机构也正好简单地解决了这个问题。[0025]4)该机器人的球壳设计时采用了将球壳分为多瓣的方法，使得机器人的安装更方便，更易于操作，不会因为球壳的阻挡而安装受阻。同时在机器人出现故障需要维修时，只需拆开相应部位的一瓣球壳即可进行维修，减少了拆卸和安装的工作量。
【专利附图】

【附图说明】
[0026]图1为本发明提供的球形机器人的主视结构示意图
图2为本发明提供的球形机器人内部驱动装置的俯视结构示意图
图3为本发明提供的驱动装置中行星齿轮系的局部放大主视结构示意图
图4为本发明提供的驱动装置中行星齿轮系的局部放大侧视结构示意图
图5为本发明提供的驱动装置中蜗轮蜗杆系的局部放大结构示意图
图6为本发明提供的驱动装置中蜗轮蜗杆系蜗轮的俯视局部放大结构示意图
图7为本发明提供的驱动装置中箱体与行星轮系行星轴连接部分的局部放大结构示
意图
图中标记名称:1、正面球壳，2、侧面球壳，3、行星齿轮系内齿中心轮，4、法兰筒(行星齿轮系),5、电机甲(控制前后),6、行星齿轮系外齿中心轮,7、行星齿轮系外齿中心轮轴,8、行星齿轮系行星轮，9、固定环，10、外齿中心轮轴承座，11、行星齿轮轴，12、重物盒,13、配重竖轴，14、箱体，15、行星齿轮轴轴承座，16、行星滚轮，17、行星滚轮系内环轮，18、法兰筒(行星滚轮系)，19、行星滚轮系中心轮，20、电机乙(控制左右)，21、电机乙固定法兰，22、联轴器，23、蜗轮，24、蜗杆，25、轴承，26、蜗杆轴承座，27、配重横轴，28、挡圈。
【具体实施方式】
[0027]本发明的优选实施例结合【专利附图】

【附图说明】如下:
实施例一:
参见图1?图7,本行星轮和蜗轮蜗杆传动驱动的球形机器人,包括球壳和位于球壳内部的行走驱动装置；其特征在于:所述的球壳为多瓣式壳体，所述的行走驱动装置包括两个电机5，20、行星齿轮机构、蜗轮蜗杆机构和配重机构。
[0028]所述的球壳由正面球壳I和侧面球壳2组成，正面球壳I分为4瓣，每瓣圆弧恰好90° ,贴合后正好成为一个球体；侧面球壳2分为2瓣,分布在球壳的两侧；
所述行走驱动装置的两个电机中的一个电机甲5通过行星齿轮机构连接传动配重机构，使一个重物盒12前后摆动；而两个电机中的另一个电机乙20通过蜗轮蜗杆机构连接传动配重机构，使所述重物盒12左右摆动。
[0029]实施例二:
如图1所示，本行星轮和蜗轮蜗杆传动驱动的球形机器人包括分为4瓣的正面球壳1，以及分为2瓣的侧面球壳。每一瓣正面球壳和侧面球壳都在贴合面处用螺钉进行连接(如图1所示)。从左向右描述，左边的侧面球壳2使用螺钉与法兰筒(行星齿轮系)4相连接，法兰筒(行星齿轮系)4右边使用螺栓连接与行星齿轮系内齿中心轮3固定，行星齿轮系内部构造将在下文详细描述。4根行星齿轮轴11穿过轴中间部分的箱体14，穿过箱体处如图7所示，使用轴承座15和轴承25进行支撑，在最右端形成行星滚轮系，行星滚轮系包括行星滚轮16，行星滚轮系内环轮17，行星滚轮系中心轮19，行星滚轮系中心轮19通过螺栓连接固定在行星滚轮系内环轮17上。行星滚轮系内环轮17的右端则通过螺栓连接与法兰筒(行星滚轮系)18连接，法兰筒(行星滚轮系)18与法兰筒(行星齿轮系)4 一样的固定于右边的侧面球壳2上。
[0030]如图3,图4所不，行星齿轮机构由行星齿轮系内齿中心轮3、行星齿轮系外齿中心轮6、行星齿轮系外齿中心轮轴7、行星齿轮系行星轮8、行星齿轮轴11、固定环9组成。行星齿轮系外齿中心轮6套在行星齿轮系外齿中心轮轴7上,在两端分别以轴承25和轴承座10支撑，中心轮6与4个行星轮8分别啮合，并且均匀分布在内齿中心轮3中。中心轮轴7的左端以轴承25支撑后，通过联轴器22与电机(控制前后)20相连。
[0031 ] 如图1，图2所示，在4根行星齿轮轴11中间，主要分布着蜗轮蜗杆机构和配重机构，首先，支撑这两部分机构的是箱体14，箱体14分为前后两部分，其连接方式采用内嵌重叠式连接，即其中一块箱体尺寸要比另一块小，可以直接插到比较大的箱体内部，重叠一部分，并在重叠处用螺钉进行固定。如图1所示，在箱体14中，上部分是蜗杆24，下部分是蜗轮23。
[0032]如图5所示，蜗杆24的左端套上轴承25后，定位在轴承座26中，轴承座26与箱体14用螺栓进行连接；蜗杆24的右端同样使用轴承25进行支撑后，经联轴器22与电机(控制左右)20相连，其中2者在联轴器22中均使用键连接。
[0033]如图1，图2及图6所示，蜗轮23与蜗杆24啮合，蜗轮23的传动轴为配重横轴27，在轴上，蜗轮23通过轴肩以及挡圈28定位，配重横轴27从前后两端穿过箱体14，并在通过处同图7 —样，使用轴承25和轴承座15进行支撑，轴承座15则使用螺钉固定在箱体上。在配重横轴27末端，配重竖轴13套于其上，并用螺钉固定。在配重竖轴13的末端是一块薄的长方形板，居中位置打有2个均匀排列的螺纹孔，则2个重物盒12分别从两侧用螺栓连接固定在配重横轴末端的薄板上。
[0034]该球形机器人的运动方法如下:
I)前进与后退:当电机甲(控制前后)5转动，通过联轴器22带动中心轮6转动，4个行星轮8则绕内齿中心轮3啮合，行星轮轴11则同样跟随转动，行星齿轮系开始运转，此时安置于行星轮轴11上的箱体14跟随轴转动，支撑在箱体14上的配重横轴27同样随箱体14转动,连接在配重竖轴13上的重物盒12跟随摆动，向前翘起，球体的重心因为重物盒12的翘起而前移，所以最终球体向前运动。后退方法与前进同理。
[0035]2)左移与右移:当电机乙(控制左右)20转动，通过联轴器22带动蜗杆24转动，从而蜗轮蜗杆机构开始运动。此时转动传递到配重竖轴13上，使得其带动重物盒12左右摆动，则球体的重心向左或向右偏移，球体因为重心的偏移而向左或向右运动。
[0036]3)综合以上二者，同时控制电机甲(控制前后)5和电机乙(控制左右)20可以实现球形机器人任意方向的移动。
【权利要求】
1.一种行星轮和蜗轮蜗杆传动驱动的球形机器人，包括球壳和位于球壳内部的行走驱动装置；其特征在于:所述的球壳为多瓣式壳体，所述的行走驱动装置包括两个电机(5，20)、行星齿轮机构、蜗轮蜗杆机构和配重机构；所述的球壳由正面球壳(I)和侧面球壳(2)组成，正面球壳(I)分为4瓣，每瓣圆弧恰好90°，贴合后正好成为一个球体；侧面球壳(2)分为2瓣,分布在球壳的两侧； 所述行走驱动装置的两个电机中的一个电机甲(5 )通过行星齿轮机构连接传动配重机构，使一个重物盒(12 )前后摆动；而两个电机中的另一个电机乙(20 )通过蜗轮蜗杆机构连接传动配重机构，使所述重物盒(12)左右摆动。
2.根据权利要求1所述的一种行星轮和蜗轮蜗杆传动驱动的球形机器人，其特征在于:所述行星齿轮机构包括外齿中心轮(6)、内齿中心轮(3)及其轴、行星轮(8)及其轴(I),内齿中心轮(3)通过一个法兰筒(4)与所述的侧面球壳(2)固联，4个行星轮(8)分别与外齿中心轮(6)和内齿中心轮(3)啮合，并均匀的分布在内齿中心轮(3)内部；所述的外齿中心轮(6)固联于其短轴上，该短轴一端经轴承(25)承载后，通过一个联轴器(22)与控制前后移动的电机甲(5)相连，另一端则由轴承承载而其轴承的轴承座固联于一个固定环(9)上； 所述的固定环套(9)在与行星轮相固联的四根行星轮轴(11)上，并与行星轮轴(11)固联，防止行星轮(5)间位置因扭矩而发生改变。
3.根据权利要求1所述的一种行星轮和蜗轮蜗杆传动驱动的球形机器人，其特征在于:所述的蜗轮蜗杆机构包括蜗轮(23)、蜗杆(24)和箱体(14)，所述的箱体(14)分为两部分，侧面经轴承承载由行星轮轴(11)穿过，箱体(14)的两部分为一大一小，所以能通过内嵌的形式进行连接； 所述的蜗杆(24)和蜗轮(23)布置于箱体(14)内部，蜗杆(24)两端都经轴承承载，其中一端通过轴承座(26)固联于箱体(14)上，一端经联轴器(22)与控制左右移动的电机乙(20)相连，电机乙(20)通过其法兰与箱体(14)固联；蜗轮(23)定位于一根配重横轴(27)上，与蜗杆(24)啮合，同时配重横轴(27)经轴承承载穿过箱体(14)前后壁；配重横轴(27)的两个末端均与一根配重竖轴(13)套筒式套接。
4.根据权利要求1或3所述的一种行星轮和蜗轮蜗杆传动驱动的球形机器人，其特征在于:所述的配重机构由配重横轴(27)、配重竖轴(13)和重物盒(12)组成，在配重竖轴(13)的末端扩张成一块长方形薄板，4个重物盒分别固联长方形在薄板的两侧。
【文档编号】B62D57/02GK103847825SQ201410068298
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2014年2月27日 优先权日:2014年2月27日
【发明者】翟宇毅, 李马枞, 张宇锋, 刘亮, 罗均, 刘树林, 刘吉成, 周晓君 申请人:上海大学