专利名称：球形机器人实现连续弹跳的多运动态机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种多运动态的球形移动机器人，尤其涉及一种球形机器人实现连续弹跳的多运动态机构。
背景技术：
球形机器人是一类新型的移动机器人。球形的外壳既是机器人保护内部设备的外壳又是机器人实现自身移动的平台。球形机器人具有全方位运动、零转弯半径等优点。目前，人们所发明的球形机器人多是通过球体内两个或多个重块来回的变换位置来实现整个机器人的滚动运动，通过机械储能装置快速释放能量来使机器人获得完成跳跃的初始能量的结构。但采用这种驱动结构的球形机器人，由于受其机械结构的限制，其存在以下缺点一、运动灵活性较差。二、不能进行连续的跳跃运动。三、能量利用率低。
发明内容
针对现有球形机器人存在的上述各种缺点，本发明的目的在于提供一种球形机器人实现连续弹跳的多运动态机构。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是
本发明包括球体外气室结构、跳跃动力组件和球体重心偏移控制组件；球体外气室结构内装有跳跃动力组件和球体重心偏移控制组件；
1)球体外气室结构包括球体外气室球壳和球体外气室球面；球体外气室下球壳与球体外气室上球壳配合构成球体外气室球壳，球体外气室下球面与球体外气室上球面配合构成球体外气室球面，球体外气室球面、球体外气室球壳的经纬线上均分布有安装孔，球体外气室连管密封安装于球体外气室球壳与球体外气室球面相互对应的安装孔之间，球体外气室球壳在内表面的三个正交轴向所对应的六个方向上分别设有结构相同的球心定位块；
2)跳跃动力组件包括内气室气囊、球心支架、空间凸轮、导轮、导轮固定架、导轮安装臂、主驱动器和双气室连管；球心支架呈中空柱体状，内气室气囊安装在球心支架里，内气室气囊一侧的气室接头穿过球心支架一端的通孔连接双气室连管的一端，内气室气囊的另一侧与空间凸轮的一面粘接，双气室连管的另一端连接在球体外气下室球壳内表面上设有的气室接头上与球体外气室上球壳和球体外气室上球面之间的空间连通，球心支架端面与通孔相对的一侧固定连接有主驱动器，主驱动器的输出轴面向内气室气囊，该输出轴与导轮安装臂连接，导轮安装臂上装有导轮固定架，导轮固定架上装有导轮，导轮与空间凸轮的螺旋面接触，主驱动器的输出轴、空间凸轮与内气室气囊共轴线；
3)球体重心偏移控制组件包括辅助固定支架和六个结构相同的驱动器单元；辅助固定支架安装在主驱动器的外侧，第一驱动器单元安装在辅助固定支架的侧面，第二驱动器单元安装在球心支架有通孔的一端上，其余四个驱动器单元等距均布安装在球心支架圆周面上，每个驱动器单元中的球心定位绳的一端分别在与球体外气室球壳正对应的球心定位块固定连接。
所述的六个结构相同的驱动器单元均包括驱动器、驱动器卷轮、球心定位绳和驱动器固定架；驱动器安装在驱动器固定架上，驱动器卷轮安装在驱动器的输出轴上，球心定位绳的另一端固定并缠绕在各自的驱动器卷轮的U形轮槽上。所述的球体外气室球壳采用硬质材料，所述的球体外气室球面采用软质材料。所述的内气室气囊是轴向剖面呈波纹状的中空弹性圆柱体。所述的六根球心定位绳是具有弹性的绳索。所述的跳跃动力组件和球体重心偏移控制组件组成了球心组件，该球心组件在静止状态下的重心与球体外气室球壳的中心重合。本发明具有的有益效果是
1.本发明的实现球形机器人连续弹跳的双气室结构，简化了机器人实现跳跃所需的机械结构，并且双气室的弹跳自储能能力提高了球形机器人实现连续弹跳的能量利用效率。 另一方面，通过控制弹跳驱动器输出轴的不同转动状态，可以实现对气室不同气压状态的控制，从而能让球形机器人实现各种不同的运动状态，提高了运动的灵活性和机动性。2.本发明的实现球形机器人滚动的球体重心偏移控制组件，把整个球心组件当做质量块，避免了需要增加额外质量块来实现球体重心的偏移，从而有效降低了整个机器人的重量，提高了运动效率。
图1是本发明的整体立体结构示意图。图2是本发明的爆炸结构示意图。图3是本发明的球心组件结构的正视图。图4是本发明的球心组件结构的侧视图。图5是本发明的球心支架的结构示意图。图6是本发明的弹跳动力组件的结构示意图。图7是本发明的球体重心偏移控制组件基本单元的结构示意图。图中1、球体外气室上球面，2、球体外气室下球面，3、球体外气室连管，4、球体外气室上球壳，5、球体外气室下球壳，6、球心支架，7、内气室气囊，8、空间凸轮，9、导轮，10、导轮固定架，11、导轮安装臂，12、主驱动器，13、双气室连管，14、辅助固定支架，15、第一驱动器固定架，16、第一驱动器，17、第一驱动器卷轮，18、第一球心定位绳，19、第二驱动器固定架，20、第二驱动器，21、第二驱动器卷轮，22、第二球心定位绳，23、第三驱动器固定架，24、 第三驱动器，25、第三驱动器卷轮，26、第三球心定位绳，27、第四驱动器固定架，28、第四驱动器，29、第四驱动器卷轮，30、第四球心定位绳，31、第五驱动器固定架，32、第五驱动器， 33、第五驱动器卷轮，34、第五球心定位绳，35、第六驱动器固定架，36、第六驱动器，37、第六驱动器卷轮，38、第六球心定位绳。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。如图广图7所示，本发明包括球体外气室结构、跳跃动力组件和球体重心偏移控制组件；球体外气室结构内装有跳跃动力组件和球体重心偏移控制组件；
1)如图1、图2所示，球体外气室结构包括球体外气室球壳和球体外气室球面；球体外气室下球壳5与球体外气室上球壳4配合构成球体外气室球壳，球体外气室下球面2与球体外气室上球面1配合构成球体外气室球面，球体外气室球面、球体外气室球壳的经纬线上均分布有安装孔，球体外气室连管3密封安装于球体外气室球壳与球体外气室球面相互对应的安装孔之间，球体外气室球壳在内表面的三个正交轴向所对应的六个方向上分别设有结构相同的球心定位块；
2)如图1、图2、图5、图6所示，跳跃动力组件包括内气室气囊7、球心支架6、空间凸轮8、导轮9、导轮固定架10、导轮安装臂11、主驱动器12和双气室连管13 ；球心支架6呈中空柱体状，内气室气囊7安装在球心支架6里，内气室气囊7 —侧的气室接头穿过球心支架6 —端的通孔连接双气室连管13的一端，内气室气囊7的另一侧与空间凸轮8的一面粘接，双气室连管13的另一端连接在球体外气下室球壳5内表面上设有的气室接头上与球体外气室上球壳和球体外气室上球面之间的空间连通，球心支架6端面与通孔相对的一侧固定连接有主驱动器12，主驱动器12的输出轴面向内气室气囊7，该输出轴与导轮安装臂11 连接，导轮安装臂11上装有导轮固定架10，导轮固定架10上装有导轮9，导轮9与空间凸轮8的螺旋面接触，主驱动器12的输出轴、空间凸轮8与内气室气囊7共轴线；
3)如图1、图2、图3、图4、图7所示，球体重心偏移控制组件包括辅助固定支架14和六个结构相同的驱动器单元；所述的六个结构相同的驱动器单元均包括驱动器、驱动器卷轮、球心定位绳和驱动器固定架；
第一驱动器16安装在第一驱动器固定架15上，第一驱动器固定架15安装在辅助固定架14的侧面，辅助固定架14安装在主驱动器12的外侧，第一驱动器卷轮17安装在第一驱动器16的输出轴上，第一球心定位绳18—端固定并缠绕在第一驱动器卷轮17的U形轮槽上，另一端固定在球体外气室球壳正对应的第一球心定位块上；
第二驱动器20安装在第二驱动器固定架19上，第二驱动器固定架19安装在球心支架 6有通孔的一端上，第二驱动器卷轮21安装在第二驱动器20的输出轴上，第二球心定位绳 22—端固定并缠绕在第二驱动器卷轮21的U形轮槽上，另一端固定在球体外气室球壳正对应的第二球心定位块上；
第三驱动器M安装在第三驱动器固定架23上，第三驱动器卷轮25安装在第三驱动器 24的输出轴上，第三球心定位绳沈一端固定并缠绕在第三驱动器卷轮25的U形轮槽上，另一端固定在球体外气室球壳正对应的第三球心定位块上；
第四驱动器观安装在第四驱动器固定架27上，第四驱动器卷轮四安装在第四驱动器 28的输出轴上，第四球心定位绳30 —端固定并缠绕在第四驱动器卷轮四的U形轮槽上，另一端固定在球体外气室球壳正对应的第四球心定位块上；
第五驱动器32安装在第五驱动器固定架31上，第五驱动器卷轮33安装在第五驱动器 32的输出轴上，第五球心定位绳34 —端固定并缠绕在第五驱动器卷轮33的U形轮槽上，另一端固定在球体外气室球壳正对应的第五球心定位块上；
第六驱动器36安装在第六驱动器固定架35上，第六驱动器卷轮37安装在第六驱动器 36的输出轴上，第六球心定位绳38 —端固定并缠绕在第六驱动器卷轮37的U形轮槽上，另一端固定在球体外气室球壳正对应的第六球心定位块上。 第三驱动器固定架23、第四驱动器固定架27、第五驱动器固定架31和第六驱动器固定架35等距均布安装在球心支架6的圆周面上。
如图7所示，所述的各驱动器卷轮是中间有轴孔的圆盘状结构，盘面上设有固定绳索用的小孔。所述的七个驱动器是由各自的驱动电机、齿轮减速器和角度传感器所组成，每个驱动电机通过各自的齿轮减速器把驱动力传递给各自的输出轴，在每个输出轴上均安装有角度传感器。其中主驱动器的尺寸及功率较大，其余各驱动器尺寸功率较小。如图6所示，所述的空间凸轮8与导轮9接触的工作面是螺旋面。如图1、图2、图6所示，所述的球体外气室球壳采用硬质材料，所述的球体外气室球面采用软质材料，所述的球体外气室球面与球体外气室球壳两者相对应的经纬线上分布有球体外气室连管3的安装孔，球体外气室球面通过球体外气室连管3与球体外气室球壳相固定，构成球体的外气室，所述的内气室气囊7是轴向剖面呈波纹状的中空弹性圆柱体， 底部有气室接头，所述的构成球体外气室的球体外气室下球壳5内面底部有气室接头，所述的外气室与内气室气囊7及联通两气室的双气室连管13构成了球体的双气室结构。如图1、图3、图4所示，所述的六根球心定位绳是具有弹性的绳索，第一球心定位绳18和第二球心定位绳22与球心组件通过重心的X轴线重合，第三球心定位绳沈和第四球心定位绳30与球心组件通过重心的Y轴线重合，第五球心定位绳34和第六球心定位绳 38与球心组件通过重心的Z轴线重合。所述的跳跃动力组件和球体重心偏移控制组件组成了球心组件，该球心组件在静止状态下的重心与球体外气室球壳的中心重合。本发明的工作过程如下
本球体结构可实现球体的连续弹跳和滚动这两种基本运动。从这两种运动状态出发， 相互有机组合，即可完成各种复杂的运动状态变幻。球体的双气室结构让球体实现了连续弹跳运动。固定在球心支架6上的球体控制器包括三轴加速度传感器和三轴角速度传感器，其中球体控制器中的三轴加速度传感器作为三维碰撞传感器用来辅助实现球体的跳跃功能。三维碰撞传感器的工作过程如下，在球体弹跳的过程中，在上升期与下降期，由于此时只受重力的作用，加速度传感器将失重(即 X、Y、Z各轴加速度输出值都为0)。而在球体与地面发生碰撞的过程中，三轴加速度传感器各轴的输出值随碰撞加速度的变化而变化。从而可以通过拟合各轴的加速度值获得球体当前运动状态，(如碰撞点在球体上的绝对位置、当前弹跳高度)。而另一方面，导轮跟随主驱动器输出轴的转动，实现了与空间凸轮力的相互作用。从而推压球体内气囊的顶部，实现了对球体内气囊容积的控制。又由于球体的双气囊结构是密封的，进而实现了对球体外气室气压的控制。同时由于导轮跟随驱动器输出轴可完成较复杂的运动变化(如转动角度、速度等)，因而可实现对球体外气室不同气压的实时控制。球体弹跳的工作过程如下，在球体弹跳的过程中，在上升期与下降期，球体外气室呈现较小的气压。而在球体与地面发生碰撞的过程中，从碰撞传感器获得的当前球体运动状态，再结合预订的球体姿态，换算出实际预计需要的球体外气室气压，进而通过主驱动器推动内气室气囊来执行气压控制。从而使球体获得地面给球体的反作用力，实现了球体的连续弹跳运动。球体的重心偏移机构让球体实现了滚动运动。其中球体控制器中的三轴加速度传感器作为三维碰撞传感器，再加上三轴角速度传感器来辅助实现球体的滚动运动功能。工作过程如下，通过三轴加速度传感器，我们已经获得了球体的当前空间位置姿态，再通过三轴角速度传感器即可获得球体当前的旋转角速度。而另一方面，除主驱动器以外的其余驱动器构成了球体重心偏移控制组件。 其中第一驱动器16、第一驱动器卷轮17、第一球心定位绳18和第二驱动器20、第二驱动器卷轮21、第二球心定位绳22构成了球体重心偏移控制组件的X轴偏移控制执行器；第三驱动器M、第三驱动器卷轮25、第三球心定位绳沈和第四驱动器观、第四驱动器卷轮四、第四球心定位绳30构成了球体重心偏移控制组件的Y轴偏移控制执行器；第五驱动器32、第五驱动器卷轮33、第五球心定位绳34和第六驱动器36、第六驱动器卷轮37和第六球心定位绳38构成了球体重心偏移控制组件的Z轴偏移控制执行器。从而通过控制相应驱动器的转动可以实时改变球心组件与球心在三个轴向上的偏差，实现球体重心在球体任意方向上的改变。进而根据预订姿态要求，通过控制偏移的方向及偏移的大小来改变球体重心的位置来实现球体滚动姿态的修正。
权利要求
1.一种球形机器人实现连续弹跳的多运动态机构，其特征在于包括球体外气室结构、跳跃动力组件和球体重心偏移控制组件；球体外气室结构内装有跳跃动力组件和球体重心偏移控制组件；1)球体外气室结构包括球体外气室球壳和球体外气室球面；球体外气室下球壳(5) 与球体外气室上球壳(4)配合构成球体外气室球壳，球体外气室下球面(2)与球体外气室上球面(1)配合构成球体外气室球面，球体外气室球面、球体外气室球壳的经纬线上均分布有安装孔，球体外气室连管密封安装于球体外气室球壳与球体外气室球面相互对应的安装孔之间，球体外气室球壳在内表面的三个正交轴向所对应的六个方向上分别设有结构相同的球心定位块；2)跳跃动力组件包括内气室气囊(7)、球心支架(6)、空间凸轮(8)、导轮(9)、导轮固定架(10)、导轮安装臂(11)、主驱动器(12)和双气室连管(13)；球心支架(6)呈中空柱体状，内气室气囊(7)安装在球心支架(6)里，内气室气囊(7) —侧的气室接头穿过球心支架 (6)—端的通孔连接双气室连管(13)的一端，内气室气囊(7)的另一侧与空间凸轮(8)的一面粘接，双气室连管(13)的另一端连接在球体外气下室球壳(5)内表面上设有的气室接头上与球体外气室上球壳和球体外气室上球面之间的空间连通，球心支架(6)端面与通孔相对的一侧固定连接有主驱动器(12)，主驱动器(12)的输出轴面向内气室气囊(7)，该输出轴与导轮安装臂(11)连接，导轮安装臂(11)上装有导轮固定架(10)，导轮固定架(10)上装有导轮(9)，导轮(9)与空间凸轮(8)的螺旋面接触，主驱动器(12)的输出轴、空间凸轮(8) 与内气室气囊(7)共轴线；3)球体重心偏移控制组件包括辅助固定支架(14)和六个结构相同的驱动器单元；辅助固定支架(14)安装在主驱动器(12)的外侧，第一驱动器单元安装在辅助固定支架(14) 的侧面，第二驱动器单元安装在球心支架(6)有通孔的一端上，其余四个驱动器单元等距均布安装在球心支架(6)圆周面上，每个驱动器单元中的球心定位绳的一端分别在与球体外气室球壳正对应的球心定位块固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种球形机器人实现连续弹跳的多运动态机构，其特征在于所述的六个结构相同的驱动器单元均包括驱动器、驱动器卷轮、球心定位绳和驱动器固定架；驱动器安装在驱动器固定架上，驱动器卷轮安装在驱动器的输出轴上，球心定位绳的另一端固定并缠绕在各自的驱动器卷轮的U形轮槽上。
3.根据权利要求1所述的一种球形机器人实现连续弹跳的多运动态机构，其特征在于所述的跳跃动力组件和球体重心偏移控制组件组成了球心组件，该球心组件在静止状态下的重心与球体外气室球壳的中心重合。
4.根据权利要求1所述的一种球形机器人实现连续弹跳的多运动态机构，其特征在于所述的内气室气囊(7)是轴向剖面呈波纹状的中空弹性圆柱体。
5.根据权利要求1所述的一种球形机器人实现连续弹跳的多运动态机构，其特征在于所述的六根球心定位绳是具有弹性的绳索。
6.根据权利要求1所述的一种球形机器人实现连续弹跳的多运动态机构，其特征在于所述的球体外气室球壳采用硬质材料，所述的球体外气室球面采用软质材料。
全文摘要
本发明公开了一种球形机器人实现连续弹跳的多运动态机构。包括球体外气室结构、跳跃动力组件和球体重心偏移控制组件；球体内装有跳跃动力组件和球体重心偏移控制组件。本发明的目的是为了解决现有球形机器人存在的不能进行连续跳跃运动、能量利用率低、可操控性差的缺陷。本发明所述的球体外气室，双气室连管，内气室气囊，组成了实现球形机器人连续跳跃的双气室结构；所述的各驱动器，驱动器卷轮，球心定位绳，组成了实现球形机器人滚动的球体重心偏移控制组件。本发明具有结构简单紧凑、运动姿态丰富、运动灵活性高的优点。
文档编号B62D57/04GK102343951SQ20111029683
公开日2012年2月8日 申请日期2011年9月30日 优先权日2011年9月30日
发明者李晓明, 王兴兴 申请人:浙江理工大学