[发明专利]一种带磁悬浮头部的多自由度球形移动机器人

说明书

本发明公开了一种带磁悬浮头部的多自由度球形移动机器人，包括磁悬浮式头部，包括磁悬浮式头部置于球形外壳的上方，球形外壳内部放置内部驱动结构，内部驱动结构分别包括磁臂自旋组件、磁臂侧摆组件、磁臂俯仰组件、球壳直驱组件、惯性飞轮组件和重心偏移组件；磁臂自旋组件、磁臂侧摆组件、磁臂俯仰组件驱动磁悬浮式头部实现前后、左右、自旋三个自由度的运动，球壳直驱组件、惯性飞轮组件和重心偏移组件驱动球壳实现前进、左右偏移和自旋三个自由度的运动，内部驱动系统实现球形机器人的六自由度运动。本发明能够提高球形机器人的运动稳定能力和高效感知能力，内部驱动系统由运动模块组成实现多自由度解耦运动，实现球形机器人的多场景应用。

技术领域

本发明涉及球形移动机器人技术领域，具体涉及一种带磁悬浮头部的多自由度球形移动机器人。

背景技术

球形机器人是一种新型机器人，这种机器将传感器、驱动装置和附加设备放置在球形外壳中，通过内部驱动机构来实现直线运动和转向运动。因其球形的外形，使得球形机器人具有防侧翻、自稳定、易密封的特性，从而在军用和民用领域具备广阔的应用潜力。

目前主流的陆上球形机器人驱动原理一般分为以下几种：

一、偏心质量驱动。通过驱动球壳内部的质量块或重摆，改变球形机器人的质心改变球形机器人运动状态。

二、摩擦轮摩擦球壳驱动。通过摩擦轮摩擦球壳内壁，使得球壳在不同方向发生滚动，改变球形机器人运动状态。

三、角动量守恒驱动。机器人内部安装有一个或多个转子，电动机驱动转子转动，基于角动量守恒原理，机器人球壳会受到相反方向等大的力矩，改变球形机器人的运动状态。

以上几种主流的球形机器人驱动方案，尽管能够实现球形机器人的基本运动要求，但是由于球形机器人形状特性和自身欠驱动的设计，使其运动容易受到外界干扰的影响，控制系统难度大，运动性能较差，难以实现稳定运动和灵活控制；同时单一球体的球形机器人传感器布置会受到球壳自身高度和方向的约束，降低了其感知能力，这两方面的问题限制了球形机器人在实际场景中发挥实际作用的能力，要扩展球形机器人在家庭、企业甚至更复杂的野外环境中的应用，提高其应用价值，亟需一种解决方案来帮助球形机器人在更加复杂多变的环境中实现稳定的运动和高效的感知。

现有专利CN105045265B，其采用摩擦轮摩擦球壳驱动，其具备一对轮子，每个轮子耦接至内部驱动系统的一个或多个电机，并通过一对轮子持续接合所述球形壳体的内表面，以使其向前运动。与本申请相比存在的技术缺陷为，该球形机器人需要基于一对轮子的变速或差速运动从而实现球壳及头部的运动。一是其头部不具备单独的自由度，需要依赖内部偏置机构的运动从而产生运动。二是偏置机构的前进、后退和转向运动高度耦合，都需要通过轮子的运动执行，难以实现单独自由度的运动。三是这种结构设计导致其欠驱动、非完整约束，在运动过程中容易出现震荡问题，控制实现困难，运动的稳定性和效果不能保证。

发明内容

为了克服以上技术问题，本发明的目的在于提供一种带磁悬浮头部的多自由度球形移动机器人，能够提高球形机器人的运动稳定能力和高效感知能力，其内部驱动系统由运动模块组成可以实现多自由度解耦运动，实现球形机器人的多场景应用。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种带磁悬浮头部的多自由度球形移动机器人，包括磁悬浮式头部1，所述包括磁悬浮式头部1置于球形外壳2的上方，所述球形外壳2内部放置内部驱动结构，内部驱动结构分别包括磁臂自旋组件3、磁臂侧摆组件4、磁臂俯仰组件5、球壳直驱组件6、惯性飞轮组件7和重心偏移组件8；

所述磁臂自旋组件3、磁臂侧摆组件4、磁臂俯仰组件5驱动磁悬浮式头部1实现前后、左右、自旋三个自由度的运动；

所述球壳直驱组件6、惯性飞轮组件7和重心偏移组件8驱动球壳实现前进、左右偏移和自旋三个自由度的运动，基于上述组件组成的内部驱动系统实现球形机器人的六自由度运动。