[发明专利]一种电磁内部驱动式球形机器人

说明书

技术领域

本发明属于机电一体化技术领域，涉及移动球形机器人，具体地说，涉及一种利用电磁吸附与角动量守恒原理驱动的电磁内部驱动式球形机器人，便于进行小型化设计，易于形成系列化，具有广阔的应用前景。

背景技术

球形机器人是一种具有球形外壳、以滚动方式行走的新型结构行走机器人，具有运动速度快、越野性能好、控制相对简单等特点。球形机器人是机器人运动方式的突破，其最大的特点是运动方式特殊，球形的外壳将使机器人能在失稳后获得最大的稳定性，与用轮子滚动行走的轮式机器人相比，不存在 “翻倒” 的问题，其球形结构可以自由地向任何方向旋转实现全方位滚动行走 ；与步行或爬行机器人相比，具有运动速度快、承载能力强的特点，而且具有驱动少、控制简单的特点。另外，球形机器人造型新颖别致，行动灵活，转弯半径很小；球形结构具有较强的自我恢复能力，球形的外壳也使机器人能够轻易滚过粗糙的地形。同时，由于球体滚动点接触的阻力相对滑动或轮式装置的线接触的运动阻力小得多，所以球形机器人还具有运动效率高、能量消耗小的优点。由于球形机器人具有诸多独特优势，对球形机器人的研究倍受科技人员关注，是目前机器人研究领域的热点问题之一。目前，球形机器人已成为一个全新的研究领域，具有广泛的研究空间和良好的应用前景。

自从芬兰赫尔辛基科技大学的海尔姆(Halme)等人于1996年制作了第一个球形机器人后， 球形机器人逐渐成为国内外智能机器人研究领域的热点之一。在国外，意大利比萨大学、 瑞典乌普萨拉大学和Rotimdus公司、NASA、加拿大魁北克省舍布鲁克大学等先后开展球形机器人研究，推出不同功能的球形机器人。在国内也有一些单位和学者开始方面的探索，北京邮电大学、北京航空航天大学、上海交通大学、苏州大学、国防科技大学和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的研究成果。

总体来看，现有的球形机器人根据功能的不同，方案各有千秋，基本上可以分为：小车驱动、配重驱动以及风力驱动三种形式。小车驱动形式可控性差，容易打滑或倾翻；配重形式需要多个电机驱动，负载过大；风力驱动缺点是负载能力差，过度依赖风能。现有的球形机器人都存在着运动轨迹复杂、计算复杂等不足，在实际应用中较难控制。结构都比较复杂， 在实际中很难推广应用且难以进行小型化和系列化设计。

发明内容

本发明的目的在于解决现有球形机器人驱动机构复杂、运动轨迹复杂、不易控制的问题，提出一种结构简单、机构可靠、运动灵活、可控性强的电磁内部驱动式球形机器人。

为了达到上述要求，本发明的构思是：

本发明采用球形机构，能够很好的适应不同地形环境。机器人利用均匀分布在部弹性球壳内表面的电磁铁装置对放置于内部刚性球壳中的铁球产生吸引力改变机器人的质心，根据角动量守恒原理驱动机器人运动，通过对电磁铁装置通电顺序和时间的不同，可以实现机器人的灵活运动。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种电磁内部驱动式球形机器人，包括一个外部弹性球壳、一个内部刚性球壳，六个连接支撑杆、一个铁球和四个电磁铁装置，其特征在于：所述的外部弹性球壳和内部刚性球壳均由两个半球壳连接而成；所述的连接支撑杆用于连接外部弹性球壳和内部刚性球壳；所述的铁球自由放置于内部刚性球壳中；所述的电磁铁装置固定安装在外部弹性球壳内表面，通过控制电磁铁装置对铁球产生吸引力改变机器人的质心，在重力驱动下实现机器人的运动。

所述外部弹性球壳（1）采用软材料，该软材料为热塑性弹性体TPE，具有高弹性、高强度、高回弹性的特点，且有优良的着色性，触感柔软，外型美观。

所述内部刚性球壳采用聚乳酸PLA材料，该材料强度高，刚性大。

所述内部刚性球壳表面涂有导磁材料，增强电磁铁装置对内部铁球的吸引作用。

所述电磁铁装置为四个，呈甲烷分子结构形状空间均匀分布，利用均匀分布在部弹性球壳内表面的电磁铁装置对放置于内部刚性球壳中的铁球产生吸引力改变机器人的质心，根据角动量守恒原理驱动机器人运动，通过对电磁铁装置通电顺序和时间的不同，可以实现机器人的灵活运动，甚至于跳跃运动。

本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

(1) 本发明电磁内部驱动式球形机器人结构简单，无需电机驱动，只需控制电磁铁装置的通断电，减少了能源的消耗；

(2) 本发明电磁内部驱动式球形机器人无任何体积大或质量重的机械装置，大大减少了机器人的负载，提高了机器人运动的自由性和灵活性；