專利名稱：電磁驅(qū)動球形機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬 于機電技術(shù)領(lǐng)域，涉及移動球形機器人，具體地說，涉及一種利用電磁步 進與角動量守恒原理驅(qū)動的全方位運動球形機器人裝置。
背景技術(shù)：
球形機器人是一種具有球形外殼、以滾動方式行走的機器人。球形機器人是機器 人運動方式的突破，其最大的特點是運動方式特殊，球形的外殼將使機器人能在失穩(wěn)后獲 得最大的穩(wěn)定性，與用輪子滾動行走的輪式機器人相比，不存在“翻倒”的問題，其球形結(jié)構(gòu) 可以自由地向任何方向旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)全方位滾動行走；與步行或爬行機器人相比，具有運動速 度快、承載能力強的特點，而且具有驅(qū)動少、控制簡單的特點。另外，球形機器人造型新穎別 致，行動靈活，轉(zhuǎn)彎半徑很小；球形結(jié)構(gòu)具有較強的自我恢復能力，球形的外殼也使機器人 能夠輕易滾過粗糙的地形。同時，由于球體滾動點接觸的阻力相對滑動或輪式裝置的線接 觸的運動阻力小得多，所以球形機器人還具有運動效率高、能量消耗小的優(yōu)點。由于球形機 器人具有諸多獨特優(yōu)勢，對球形機器人的研究倍受科技人員關(guān)注，是目前機器人研究領(lǐng)域 的熱點問題之一。目前，球形機器人已成為一個全新的研究領(lǐng)域，具有廣泛的研究空間和良 好的應(yīng)用前景。從上世紀90年代，美國、芬蘭等國家的研究者著手研究、試制球形機器人以來，對 球形機器人的研究越來越為人們所重視，德國、法國、瑞士、比利時等國家的許多研究者對 球形機器人進行了全方位機器人的理論研究，也取得了一定的進展。球形機器人的研究在我國還是一個比較新的概念，2001年上海交通大學的楊汝 清教授帶領(lǐng)學生對球形機器人開始最初研究工作，并對球形機器人進行了基礎(chǔ)性的原理研 究，此項研究雖然只是處于初步階段，但為我國球形機器人的研究打下了一定理論基礎(chǔ)。北 京郵電大學、哈爾濱工業(yè)大學、西安電子科技大學等院校在球形機器人研究方面做了許多 工作，也取得了不少的成果。盡管國內(nèi)外已有不少球形機器人的成功設(shè)計，其驅(qū)動機構(gòu)也多種多樣，但在球形 機器人研究中存在的一個重要不足點是驅(qū)動原理尚未產(chǎn)生突破性的進展。迄今為止，還沒 有一種驅(qū)動方式為大家所公推，有關(guān)球形機器人的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動方式的研究，還沒有一套成 熟的理論體系。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有球形機器人驅(qū)動機構(gòu)的不足，提供一種具備結(jié)構(gòu)簡 單、機構(gòu)可靠、運動靈活，可控性強，軌跡規(guī)劃與控制算法設(shè)計容易實現(xiàn)等優(yōu)點的電磁驅(qū)動 球形機器人。其技術(shù)解決方案如下
電磁驅(qū)動球形機器人，其特征在于包括球殼，
所述球殼內(nèi)壁上豎向中間位置環(huán)形均勻設(shè)置有磁鐵，相鄰磁鐵的極向相反設(shè)置；所述球殼內(nèi)橫向轉(zhuǎn)動設(shè)置有主軸，主軸上固聯(lián)有托架，托架上設(shè)置有至少一組電磁線 圈，所述每組電磁線圈包括兩個相對于主軸對稱設(shè)置的電磁線圈。本發(fā)明通過控制兩個電磁線圈的極性交替變化，控制電磁線圈的磁芯與球殼內(nèi)壁 上的磁鐵間的吸引和排斥，帶動托架繞主軸旋轉(zhuǎn)，利用電磁步進的原理實現(xiàn)球形機器人的 前進和后退；與傳統(tǒng)的球形機器人相比，結(jié)構(gòu)簡單可靠，運動穩(wěn)定靈活，可控性強。同時本發(fā) 明的驅(qū)動方式較以往的球形機器人大為簡化，使得球形機器人的內(nèi)部空間利用率大，可根 據(jù)不同的用途制作不同尺寸的球形機器人，提高了球形機器人的承載能力，易于形成系列 化。每組電磁線圈之間的夾角α與是相鄰磁鐵相對于球殼球心的夾角β之間的關(guān)系 為 α =η * β + β/2 (η>2)。同一側(cè)相鄰電磁線圈相對球殼球心的夾角為Y，則β與Y的關(guān)系為Υ=2πι*β (m>l)。 所述電磁驅(qū)動球形機器人還包括轉(zhuǎn)向部分，所述轉(zhuǎn)向部分包括設(shè)置在托架上的電 機和飛輪，電機的軸與飛輪通過聯(lián)軸器連接。所述球殼由左半球殼和右半球殼組合而成，在球殼內(nèi)壁裝有磁鋼環(huán)，磁鋼環(huán)與球 殼內(nèi)壁固定連接并與球殼同心，左、右半球殼與磁鋼環(huán)通過螺釘緊固，磁鋼環(huán)上均勻布置永 磁磁鋼，相鄰兩個永磁鋼或電磁鐵的N極朝向相反。電磁線圈托板上還安裝有電機和飛輪，電機通過電機支架與電磁線圈托板固定連 接，飛輪通過軸承安裝在電磁線圈托板上，電機軸與飛輪通過聯(lián)軸器連接。電機帶動其下部 飛輪旋轉(zhuǎn)，利用角動量守恒原理實現(xiàn)電磁驅(qū)動球形機器人的轉(zhuǎn)向，結(jié)構(gòu)緊湊，無傳動損耗， 轉(zhuǎn)彎半徑小，可實現(xiàn)球形機器人的原地轉(zhuǎn)彎。本發(fā)明還可設(shè)置為主軸兩端與殼體固聯(lián)，主軸上轉(zhuǎn)動設(shè)置有托架。


圖1是本發(fā)明的實施例1的結(jié)構(gòu)組成三維示意圖。圖2是本發(fā)明實施例1的結(jié)構(gòu)組成剖視示意圖。圖3是本發(fā)明實施例1的結(jié)構(gòu)組成俯視示意圖。圖4是本發(fā)明實施例1的結(jié)構(gòu)局部剖視示意圖。圖5是本發(fā)明實施例2的結(jié)構(gòu)組成三維示意圖。圖6是本發(fā)明實施例2的結(jié)構(gòu)局部剖視示意圖。圖7是本發(fā)明實施例2的電磁線圈及電磁線圈固定架組成示意圖。
具體實施例方式實施例1
如圖1、2、3所示，本發(fā)明的一種實施例為電磁驅(qū)動球形機器人，包括球殼、磁鋼環(huán)、 內(nèi)驅(qū)結(jié)構(gòu)；球殼由左半球殼1和右半球殼2組合而成，在球殼內(nèi)壁裝有磁鋼環(huán)4，磁鋼環(huán) 與球殼內(nèi)壁固定連接并與球殼同心，左、右半球殼與磁鋼環(huán)通過螺釘3緊固，磁鋼環(huán)上 均勻布置永磁磁鋼5，相鄰兩個永磁鋼或電磁鐵的N極朝向相反；位于球殼內(nèi)部的內(nèi)驅(qū) 結(jié)構(gòu)主要包括托架6、主軸8、電機9、電機支架11、相對于主軸8對稱設(shè)置的電磁線圈1 16、第二核心電磁線圈II 17、電磁線圈固定架19、電磁線圈托板21、副軸22、飛輪23、供電 電源以及控制器28等；內(nèi)驅(qū)機構(gòu)通過托架6懸掛于主軸8上，托架通過螺母7與主軸固連， 主軸8通過軸承座15、緊固螺釘14、軸承32與左半球殼1和右半球殼2連接，以實現(xiàn)內(nèi)驅(qū) 機構(gòu)與球殼之間的相對轉(zhuǎn)動；第一核心電磁線圈16和第二核心電磁線圈17通過調(diào)整螺釘 18固定在電磁線圈固定架19上，電磁線圈固定架19通過緊固螺釘20、電磁線圈托板21、固 定于內(nèi)驅(qū)托架6上，鉛酸蓄電池及控制電路28通過電池托架29、緊固螺釘30固接在電磁 線圈托板21上，電磁線圈磁極端與任意一個安裝在球殼上的永磁鋼磁極端或者相鄰永磁 鋼之間的球殼部分相對；控制電路控制兩個電磁線圈的極性交替變化，通過電磁線圈的磁 芯與永磁磁鋼的吸引和排斥力，帶動內(nèi)部驅(qū)動機構(gòu)繞主軸旋轉(zhuǎn)，由此實現(xiàn)球形機器人的前 進和后退的運動；電機9通過電機支架11、螺釘27固接在內(nèi)驅(qū)托架6上，電機輸出軸12通 過緊固螺釘10與副軸21固接，副軸22與飛輪23通過螺釘31固接，電機9帶動飛輪23旋 轉(zhuǎn)實現(xiàn)球形機器人的轉(zhuǎn)彎或原地轉(zhuǎn)動；通過聯(lián)軸器(法蘭盤)24、軸承25、擋圈26實現(xiàn)副軸 22和電機8的輸出軸12的同軸，減小震動，以提高球形機器人轉(zhuǎn)彎的穩(wěn)定性。圖4是實施例1的局部剖視示意圖。在該實例中，第一核心電磁線圈16和第二核 心電磁線圈17相對球殼球心的夾角α與是相鄰永磁磁鋼相對于球殼球心的夾角β之間 的關(guān)系設(shè)計為α =η * β + β /2 (η>2)。 實施例2
參見圖5所示的本發(fā)明的另一種實施方式電磁驅(qū)動球形機器人裝置，包括球殼、磁鋼 環(huán)、內(nèi)驅(qū)結(jié)構(gòu)；球殼由左半球殼1和右半球殼2組合而成，在球殼內(nèi)壁裝有磁鋼環(huán)4，磁鋼環(huán) 與球殼內(nèi)壁固定連接并與球殼同心，左、右半球殼與磁鋼環(huán)通過螺釘3緊固，磁鋼環(huán)上均勻 布置永磁磁鋼5，相鄰兩個永磁鋼或電磁鐵的N極朝向相反；位于球殼內(nèi)部的內(nèi)驅(qū)結(jié)構(gòu)主要 包括托架6、主軸8、電機9、電機支架11、電磁線圈I 16、電磁線圈III 16-1、電磁線圈II 17、 電磁線圈IV 17-1、電磁線圈固定架19、電磁線圈托板21、副軸22、飛輪23、供電電源以及控 制器28等；電磁線圈I 16和電磁線圈II 17相對于主軸8對稱設(shè)置，電磁線圈III 16-1和電 磁線圈IV 17-1相對于主軸8對稱設(shè)置。內(nèi)驅(qū)機構(gòu)通過托架6懸掛于主軸8上，托架通過螺 母7與主軸固連，主軸8通過軸承座15、緊固螺釘14、軸承32與左半球殼1和右半球殼2連 接，以實現(xiàn)內(nèi)驅(qū)機構(gòu)與球殼之間的相對轉(zhuǎn)動；電磁線圈通過調(diào)整螺釘18固定在電磁線圈固 定架19上，電磁線圈固定架19通過緊固螺釘20、電磁線圈托板21、固定于內(nèi)驅(qū)托架6上，鉛 酸蓄電池及控制電路28通過電池托架29、緊固螺釘30固接在電磁線圈托板21上，電磁線 圈磁極端與任意一個安裝在球殼上的永磁鋼磁極端或者相鄰永磁鋼之間的球殼部分相對； 控制電路控制兩個電磁線圈的極性交替變化，通過電磁線圈的磁芯與永磁磁鋼的吸引和排 斥力，帶動內(nèi)部驅(qū)動機構(gòu)繞主軸旋轉(zhuǎn)，由此實現(xiàn)球形機器人的前進和后退的運動；電機9通 過電機支架11、螺釘27固接在內(nèi)驅(qū)托架6上，電機輸出軸12通過緊固螺釘10與副軸21固 接，副軸22與飛輪23通過螺釘31固接，電機9帶動飛輪23旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)球形機器人的轉(zhuǎn)彎或 原地轉(zhuǎn)動；通過聯(lián)軸器(法蘭盤)24、軸承25、擋圈26實現(xiàn)副軸22和電機8的輸出軸12的 同軸，減小震動，以提高球形機器人轉(zhuǎn)彎的穩(wěn)定性。圖6是實施例2的局部剖視示意圖。在該實例中，電磁線圈I 16和電磁線圈II 17 相對球殼球心的夾角α與是相鄰永磁磁鋼相對于球殼球心的夾角β之間的關(guān)系設(shè)計為α=η *β+β/2 (η>2)；同一側(cè)相鄰電磁線圈間相對球殼球心的夾角為β，則β與Y的關(guān) 系設(shè)計為Y=2m* β (m>l)；在本實施實例中，還可安裝多組電磁線圈，以提高球形機器人 的動力性能。如圖7所示，本發(fā)明的實施例2的電磁線圈通過調(diào)整螺釘18固定在電磁線圈固定架19上，通過調(diào)整螺釘18可調(diào)整磁芯16-C、16-1C、17_C、17-1C與磁鋼環(huán)之間的徑向距離， 通過孔19-2調(diào)整電磁線圈的前后距離；電磁線圈固定架19的上組成板19-1加工成與球殼 同心的弧形，以避免運功過程中發(fā)生干涉，并提高運動的穩(wěn)定性。本發(fā)明包括但不僅限于以上的實施方式，其還可有如主軸兩端與殼體固聯(lián)，主軸 上轉(zhuǎn)動設(shè)置有托架等顯而易見的變化。
權(quán)利要求
1.電磁驅(qū)動球形機器人，其特征在于包括球殼，所述球殼內(nèi)壁上豎向中間位置環(huán)形均勻設(shè)置有磁鐵，相鄰磁鐵的極向相反設(shè)置；所述球殼內(nèi)橫向轉(zhuǎn)動設(shè)置有主軸，主軸上固聯(lián)有托架，托架上設(shè)置有至少一組電磁線 圈，所述每組電磁線圈包括兩個相對于主軸對稱設(shè)置的電磁線圈。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁驅(qū)動球形機器人，其特征在于每組電磁線圈之間的夾角α與是相鄰磁鐵相對于球殼球心的夾角β之間的關(guān)系為 α =η * β + β /2 (η>2)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電磁驅(qū)動球形機器人，其特征在于同一側(cè)相鄰電磁線圈相 對球殼球心的夾角為Y，則β與Y的關(guān)系為Υ=2πι*β (m>l)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3中任一項所述的電磁驅(qū)動球形機器人，其特征在于所述電磁 驅(qū)動球形機器人還包括轉(zhuǎn)向部分，所述轉(zhuǎn)向部分包括設(shè)置在托架上的電機和飛輪，電機的 軸與飛輪通過聯(lián)軸器連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3中任一項所述的電磁驅(qū)動球形機器人，其特征在于所述球殼 由左半球殼和右半球殼組合而成，在球殼內(nèi)壁裝有磁鋼環(huán)，磁鋼環(huán)與球殼內(nèi)壁固定連接并 與球殼同心，左、右半球殼與磁鋼環(huán)通過螺釘緊固，磁鋼環(huán)上均勻布置永磁磁鋼，相鄰兩個 永磁鋼或電磁鐵的N極朝向相反。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電磁驅(qū)動球形機器人，其特征在于所述球殼由左半球殼和 右半球殼組合而成，在球殼內(nèi)壁裝有磁鋼環(huán)，磁鋼環(huán)與球殼內(nèi)壁固定連接并與球殼同心， 左、右半球殼與磁鋼環(huán)通過螺釘緊固，磁鋼環(huán)上均勻布置永磁磁鋼，相鄰兩個永磁鋼或電磁 鐵的N極朝向相反。
7.電磁驅(qū)動球形機器人，其特征在于包括球殼，所述球殼內(nèi)壁上豎向中間位置環(huán)形均勻設(shè)置有磁鐵，相鄰磁鐵的極向相反設(shè)置；所述球殼內(nèi)橫向設(shè)置有主軸，主軸兩端與殼體固聯(lián)，主軸上轉(zhuǎn)動設(shè)置有托架，托架上設(shè) 置有至少一組電磁線圈，所述每組電磁線圈包括兩個相對于主軸對稱設(shè)置的電磁線圈。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電磁驅(qū)動球形機器人，其特征在于每組電磁線圈之間的夾角α與是相鄰磁鐵相對于球殼球心的夾角β之間的關(guān)系為 α =η * β + β /2 (η>2)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電磁驅(qū)動球形機器人，其特征在于同一側(cè)相鄰電磁線圈相 對球殼球心的夾角為Y，則β與Y的關(guān)系為g=2m*i3 (m>l)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7、8、9中任一項所述的電磁驅(qū)動球形機器人，其特征在于所述電磁 驅(qū)動球形機器人還包括轉(zhuǎn)向部分，所述轉(zhuǎn)向部分包括設(shè)置在托架上的電機和飛輪，電機的 軸與飛輪通過聯(lián)軸器連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電磁驅(qū)動球形機器人，其特征在于包括球殼，所述球殼內(nèi)壁上豎向中間位置環(huán)形均勻設(shè)置有磁鐵，相鄰磁鐵的極向相反設(shè)置；所述球殼內(nèi)橫向轉(zhuǎn)動設(shè)置有主軸，主軸上固聯(lián)有托架，托架上設(shè)置有至少一組電磁線圈，所述每組電磁線圈包括兩個相對于主軸對稱設(shè)置的電磁線圈。本發(fā)明通過控制兩個電磁線圈的極性交替變化，控制電磁線圈的磁芯與球殼內(nèi)壁上的磁鐵間的吸引和排斥，帶動托架繞主軸旋轉(zhuǎn)，利用電磁步進的原理實現(xiàn)球形機器人的前進和后退；與傳統(tǒng)的球形機器人相比，結(jié)構(gòu)簡單可靠，運動穩(wěn)定靈活，可控性強。同時本發(fā)明的驅(qū)動方式較以往的球形機器人大為簡化，使得球形機器人的內(nèi)部空間利用率大，可根據(jù)不同的用途制作不同尺寸的球形機器人，提高了球形機器人的承載能力，易于形成系列化。
文檔編號B62D57/02GK102060060SQ20101061523
公開日2011年5月18日 申請日期2010年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月30日
發(fā)明者周瓊, 安琦, 桑勝舉, 沈丁, 王軍, 趙繼超 申請人:泰山學院