[发明专利]一种搭载有控制力矩陀螺，并且具有原地自转能力的球形机器人

说明书

技术领域：

本发明涉及了一种搭载有控制力矩陀螺，并且具有原地自转能力的球形机器人，由于陀螺的进动效应因而具有很大的额外进动力矩，因此机器人的运行速度及爬坡、越障能力得到了大大提升，适用于一些地形较为崎岖，需要球形机器人具有较大速度或爬坡、越障能力的场合，涉及新型机器人技术开发领域。

背景技术：

球形机器人是指一类将运动机构、传感器、控制器等内置于一个球壳内部、利用球壳作为滚动行走装置的移动机器人。与传统的轮式、履带式等移动机器人相比，球形机器人的优点在于：①运动灵活，能够穿过孔径略大于其直径的曲折通道；②具有类似不倒翁的特性，行走过程中与障碍物或其他的运动机构发生碰撞也会在经过短暂的不规则运动后恢复稳态；③当发生从高处跌落等危险情况时，仍然可以继续工作，不存在翻仰问题；④无尖锐的外凸物，适合工作在有人活动的场所。因此，球形机器人在野外作业、反恐及灾难救援和社会服务等领域具有广阔的应用前景。

受限于全封闭的球形外壳和特殊的滚动行走方式，现有的球形机器人往往运动稳定性不高，运动速度较小，而且越障爬坡能力不强，不能原地自转，相应的转弯半径也比较大，对于较为崎岖或者狭窄扭曲的环境，不能有效的进行前进与转弯。针对这些问题，本发明采用了一种新型的球形机器人机械结构设计，在内部空间有限的球形机器人中设计了新型的控制力矩陀螺机构和转向结构，一方面弥补了之前球形机器人运动速度小、越障能力差、不能自转等一系列问题，同时设计的机器人结构紧凑，质量较小，对机器人内部空间有了充分的利用。

发明内容：

本专利的发明旨在设计一款新型的搭载有控制力矩陀螺机构，并可实现原地自转的球形机器人。一方面由于控制力矩陀螺能够提供很大进动力矩的作用，机器人具有较大的运行速度和爬坡越障能力，另一方面机器人能够利用新型机构灵活地实现原地转动和前进、后退运动。

本发明主要采用如下技术方案：

搭载有控制力矩陀螺，并且具有原地自转能力的球形机器人，它主要包括均质球壳、前进驱动机构、转向机构、控制力矩陀螺机构等部分；其特征在于：所述球壳由半球壳、连接片和法兰盘所组成，两个半球壳之间通过连接片、法兰盘互相连接形成一个完整的球体；所述前进驱动机构由长轴电机、均质框架、长轴齿轮、空心长轴套和重摆等部分组成；所述转向机构由两个转向电机、转向齿轮机构以及齿形带轮机构等组成，通过两个电机输出力矩之间的配合，驱动均质框架和重摆进行转动，从而实现球形机器人的原地转向；所述控制力矩陀螺机构由飞轮、飞轮转动电机、飞轮固定框架、框架转动舵机和齿形带轮机构等组成；所述重摆主要包括重摆底盘以及安装在其上的驱动电机和电池等组成。

所述的前进驱动机构主要由均质框架、长轴电机、长轴齿轮、长轴套和重摆等部分组成。

长轴齿轮包括长轴主动齿轮和长轴从动齿轮；其中，长轴主动齿轮通过顶丝安装在长轴电机输出轴上，与长轴从动齿轮之间相互啮合并形成齿轮副，长轴从动齿轮固连在长轴套上，长轴套一端通过滚动轴承和均质框架之间形成滚动连接，另一端通过螺栓与法兰盘固连在一起，这样在电机驱动长轴主动齿轮转动时，长轴从动齿轮随之转动，带动与长轴从动齿轮固定的长轴套一起转动，从而带动球壳滚动实现机器人的前进运动。由于重摆的质量相对球壳来说要重得多，因此电机会直接驱动球壳转动，重摆保持相对稳定状态(由于长轴套和均质框架之间采用的是滚动连接，因此均质框架在长轴套转动的时候会保持相对稳定)。

所述转向机构主要由均质框架、两个转向电机、转向齿轮机构以及齿形带轮机构等部分组成。

均质框架底部安装有一个轴承座，通过轴承座中装配的滚动轴承和重摆摆杆之间形成滚动配合，轴承座上固定有一个定位圆片，通过螺栓将其和重摆摆杆固连在一起，实现重摆的定位。两个转向电机均固定在重摆上，其中电机1的输出轴端固定有转向小齿轮，电机2的输出轴端固定有转向小带轮，分别驱动其转动。转向大齿轮以及转向大带轮上均开有通孔，通过螺栓和均质框架固连在一起，分别和重摆摆杆之间通过滚动轴承形成滚动配合。通过两个电机输出力矩的相对配合，同时控制均质框架与重摆构件进行转向，带动球壳转动，从而实现球形机器人的原地转向。

所述控制力矩陀螺机构主要由飞轮、飞轮转动电机、飞轮固定框架、框架转动舵机和齿形带机构等构成。