本發(fā)明屬于機器人智能控制技術領域，具體涉及的是一種能遙控、有部分自主功能的新型結構球形機器人。

背景技術：

球形機器人與輪形移動機器人相比，有其獨特的優(yōu)點。輪形移動機器人易受污染，也不能翻倒且轉向會存在死區(qū)；由于其慣性不足導致其越過粗糙表面的能力較弱。球形機器人是一種新型結構的滾動行走機器人，是一個全封閉的個體，具有速度快、越野能力好、控制相對簡單等特點，越來越受到人們的追捧和重視，逐漸成為國內(nèi)外機器人智能控制研究領域的重點之一。

1996年芬蘭的halme等人制作了第一臺具有真正意義上的球形機器人，該球形機器人的球殼內(nèi)設計了一套單輪機構驅動球體運動，通過改變球體的重心實現(xiàn)球體的直線運動，但由于單輪驅動的局限性，并不能實現(xiàn)系統(tǒng)的全方位運動。2005年,瑞典的烏普薩拉大學發(fā)明出一種兩驅動球型機器人。該球形機器人有兩個驅動電機，一個驅動長軸繞球的直徑方向轉動，另一個驅動重物在與長軸的同一平面上擺動。通過這兩種運動的合成以達到球形機器人的轉彎，但該方式下小球轉彎半徑很大且并不能夠實現(xiàn)全方位的運動。

球形機器人在近十多年來得到眾多單位和學者的關注。上海交通大學的金康進等學者提出了一種四驅動的球形機器人：球體內(nèi)部有4個相互對稱的電機，每個電機上配有一個偏心重物，電機驅動帶動重塊運動改變球體重心從而實現(xiàn)向特定方向的滾動，但由于小球體積過大，運動速度慢，穩(wěn)定性較差，很難實現(xiàn)球體的平穩(wěn)運行。南京航空航天大學楊忠等人的發(fā)明“全方位運動球形機器人”：主輪在行走電機的驅動下沿球殼內(nèi)側滾動，從而驅動球體作直線運動，半圓架上方的質量塊和水平桿在其轉向電機的驅動下沿圓弧架運動，使球體重心左右偏移，從而實現(xiàn)機器人的轉向控制，該結構的機器人利用不完整系統(tǒng)的特點使用2個電機構成不完全的三自由度。由于質量小車沿著圓弧架運動時受到圓弧架轉動副的限制，其轉向范圍小于半球區(qū)間，存在運動死角，當球形機器人由于外力的作用翻轉到機器人短軸位置時，機器人無法動彈，失去移動功能。

現(xiàn)有球形機器人雖各有其特點，但總體來說結構都很復雜，同時大都存在工程量較大、實用性較低等不足之處。特別是在轉向運動與前進運動耦合方面，有些裝置如果處理不好，會導致球體內(nèi)部驅動機構狀態(tài)不確定，影響球體的實際運動，從而大大增加了控制難度，很多還會存在運動死區(qū)，極少能在任意點原地轉向，不能進行全方位運動，大大限制了機器人使用的空間，且未見球殼相對地面的原地轉向方式；同時很多機器人無外部固定接口或球殼外不能搭載附件，使得在實際使用中調試、充電與維護可能存在困難，限制了各種探測傳感器和機械手的使用。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是設計一種結構新穎、控制簡單、可控性好、實用性強的新型結構球形機器人，克服現(xiàn)有技術方案的不足。

由此本發(fā)明的技術方案為：一種機械陀螺儀結構球形機器人，包括球殼1及其內(nèi)部行走驅動裝置；所述行走驅動裝置包括x軸電機6、支撐架8、y軸電機9以及控制板11；

x軸電機6為兩臺，固定在支撐架8的左右兩側，x軸電機6的軸端固定在球殼1上，構成前后滾動機構；y軸電機9為兩臺，固定在控制板11的前后兩側，且y軸電機9的軸端固定在支撐架8上，保持x軸電機6和y軸電機9的軸向相互垂直，控制板11的正下方固定有配重12，整個構成轉向控制機構；

靜止狀態(tài)下，控制板11保持水平狀態(tài)，當x軸電機6轉動時，球殼1轉動，使得球形機器人前后運動；當y軸電機9轉動，使得控制板11和支撐架8產(chǎn)生夾角，由于重心在控制板11的正下方，所以控制板11保持水平，此時支撐架8在x軸上產(chǎn)生夾角，若同時x軸電機轉動，球形機器人的軌跡將是一個圓，且圓的半徑和夾角有定量關系；在運動過程中改變控制板11和支撐架8的夾角從而改變球體的運動方向和軌跡。

進一步,所述球形機器人采用機械陀螺儀結構,本身具有很好的定向特性。

進一步,所述支撐架8為中空的類圓環(huán)，或者為中空的橢圓環(huán)狀結構，或者為規(guī)則多邊形結構，該多邊形結構能夠保證x軸電機、y軸電機9的軸端在空間上有相互垂直的固定點。

進一步,y軸電機9的軸上裝有齒輪a3，并與電位器5軸上裝有的齒輪b4相互嚙合。

進一步,所述電位器5通過齒輪傳動測量出控制板11和支撐架8的夾角，從而改變球形機器人的轉向。

進一步,還包括集電環(huán)10，通過集電環(huán)10將一對電機驅動接到y(tǒng)軸電機以更好地實現(xiàn)供電需求。

進一步,所述集電環(huán)10一端固定在控制板11上，另一端固定在支撐架8上，同時y軸電機的軸承與集電環(huán)的中心是同心的，同時集電環(huán)10的兩端可以相對滑動。

進一步,x軸電機和y軸電機均采用固定座7固定。

進一步,球殼1外可附加一些減震材料。

本方案的優(yōu)點是：

1)驅動機構簡單，控制精度高，成本較低。

2)電機軸與球殼固定，電機與重物固定，且重物重心較低，整個系統(tǒng)的重心在球體的中下部，穩(wěn)定性好，系統(tǒng)響應速度快。

3)球體結構本身采用陀螺儀結構，本身具有很好的定向特性。

4)測量角度采用單圈連續(xù)電位器作為傳感器，利用控制器的ad轉換功能，讀取電壓即可計算得到角度。

5)兩個電機分別驅動球體的前進和轉向，經(jīng)測試，可控球可以很好地實現(xiàn)在地面上朝任意方向滾動且死區(qū)很小。

附圖說明

圖1為陀螺儀結構球形機器人前后運動原理示意圖。

圖2為機械陀螺儀結構球形機器人的結構示意圖。

圖3為陀螺儀結構球形機器人受力運動示意圖。

1-球殼；2-軸承座；3-齒輪a；4-齒輪b；5-電位器；6-x軸電機；7-電機固定座；8-支撐架；9-y軸電機；10-集電環(huán)；11-控制板；12-配重。

具體實施方式

如圖1所示,陀螺儀結構球形機器人前后運動原理示意圖。電機軸與球殼1固定，電機和配重12固定，且配重12重心較低，整個系統(tǒng)的重心幾乎在配重12的中心。當電機轉動時，假設配重12足夠重，可以使外面球殼1轉動，從而產(chǎn)生向前滾動的動力，如果配重12不夠重，被抬起一定高度，將產(chǎn)生mg·sinθ·r的扭矩，使球體向前滾動。

如圖2所示，機械陀螺儀結構球形機器人的結構示意圖,由球殼1及其內(nèi)部行走驅動裝置組成。其行走驅動裝置由x軸電機6、支撐架8、y軸電機9以及控制板11組成。x軸電機6通過電機固定座7固定在支撐架8上，x軸電機6的軸固定在球殼1上，構成前后滾動機構；y軸電機9固定在控制板11上，y軸電機9的軸固定在支撐架8上，且x軸電機6和y軸電機9的軸向相互垂直，采用集電環(huán)10原理供電，配重12固定在控制板11的正下方，整個構成轉向控制機構；靜止狀態(tài)下，控制板11保持水平狀態(tài)。當x軸電機6轉動時，球殼1轉動，使得球形機器人前后運動；當y軸電機9轉動，使得控制板11和支撐架8產(chǎn)生夾角，由于重心在控制板11的正下方，所以控制板11保持水平，此時支撐架8在x軸上產(chǎn)生夾角；電位器5的軸上裝有齒輪b4，并與y軸電機9軸上齒輪a3嚙合，電位器5可以通過齒輪傳動測量出控制板11和支撐架8間的夾角；若此時x軸電機6轉動，球形機器人的軌跡將是一個圓且圓的直徑和夾角有定量關系；在運動過程中改變支撐架8和控制板11的夾角可以實現(xiàn)任意方向的轉向。

電位器5的軸上裝有一個齒輪4，它與y軸電機軸上的齒輪3相嚙合，電位器5固定在控制板11上；集電環(huán)10一端固定在控制板11上，另一端固定在支撐架8上，同時y軸電機的軸承與集電環(huán)的中心是同心的，集電環(huán)的兩端還可以相對滑動。

如圖3所示，陀螺儀結構球形機器人受力運動示意圖。運動規(guī)律為：選用兩對軸向相互垂直的電機即x軸電機6和y軸電機9；球半徑為r，x軸電機6通過電機固定座7固定在支撐架8上，x軸電機6的軸固定在球殼1上；控制板11保持水平，支撐架8與控制板11之間的夾角是θ；x軸電機6轉動提供前進動力；y軸電機9轉動用于改變方向；x軸電機6和y軸電機9可以分時運動，也可以同時運動。當y軸電機9單獨運動時，球形機器人呈絕對直線運動；x軸電機6運動且速度較慢時，球形機器人的運動軌跡呈半徑為r的圓，且半徑r的大小與支撐架8與控制板11之間的夾角θ有關，即：

特殊情況：當θ為0度時即x軸電機6單獨運動時，運行半徑r無窮大，運動軌跡是一條直線；當θ為90度時，運行半徑r為零，球形機器人原地打轉。

關于本發(fā)明還有如下特征：

1)配重12可以是電路板、電池等。

2)內(nèi)部放置一個鋰電池給整個系統(tǒng)供電，一對電機驅動接在內(nèi)部電機，另一對通過集電環(huán)接到外部電機以滿足供電需要。

3)采用機械陀螺儀結構，本身具有很好的定向特性，同時設置兩對軸向相互垂直的電機以實現(xiàn)任意方向的滾動。

4)兩對電機采用固定座7固定，防止松動脫落。

綜上，上述機械陀螺儀結構球形機器人主要由球殼，x軸電機，支撐架，y軸電機，控制板組成。x軸電機固定在支撐架上，x軸電機的軸固定在球殼上。y軸電機固定在控制板上，y軸電機的軸固定在支撐架上，且x軸電機與y軸電機軸向相互垂直，配重固定在控制板正下方使得球體重心在球的幾何中心的下方，靜止狀態(tài)下控制板保持水平狀態(tài)。當x軸電機轉動時，球殼轉動，使得球形機器人前后運動。當y軸電機轉動，使得控制板和支撐架產(chǎn)生夾角。由于重心在控制板的正下方，所以控制板保持水平，此時支撐架在x軸上產(chǎn)生夾角。若x軸電機轉動，球形機器人的軌跡將是一個圓，且圓的直徑和夾角有定量關系。在運動過程中改變控制板和支撐座的夾角從而實現(xiàn)拐彎。