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申请/专利权人：河南科技大学

摘要：一种全方位行走智能球形机器人，包括球轮机构、支撑骨架机构、动力传动机构、平衡机构、转向机构、刹车机构和视觉机构。球轮机构安装在支撑骨架机构上，二者通过支撑轴承和动力传动机构连接；支撑骨架机构中间和下部设有支撑板；动力传动机构设置在下部支撑板上，利用电动机带动球轮机构转动，使整个机构行走；平衡系统固定在中间支撑板上；转向机构依靠差速原理进行实现，分别控制两个球轮的转速从而使机构进行全方位行走；刹车机构由两个相对于密封圈对称的电动推杆组成；视觉机构安装在球体的两侧，固定在平台上。本实用新型解决了现有球型机器人结构复杂、稳定性差、信息采集能力差、不能实现高速灵活等方面的不足，因此适应实际使用需求。

主权项：1.一种全方位行走智能球形机器人，其特征在于，该全方位行走智能球形机器人包括球轮机构、支撑骨架机构、动力传动机构、平衡机构、转向机构、刹车机构和视觉机构；全方位行走智能球形机器人上放置驱动轮和V形带的那一侧为前侧，从两侧的视觉机构看是侧视；球轮机构安装在支撑骨架机构上，球轮机构包裹住整个机器人，球轮机构和支撑骨架机构之间通过支撑轴承和动力传动机构连接在一起；动力传动机构设置在支撑骨架机构的下部支撑板下面，其利用电动机带动球轮机构转动，从而使整个机器人行走；平衡机构固定在支撑骨架机构的中间支撑板上；转向机构依靠差速原理进行实现，分别控制两个球轮的转速从而使转向机构全方位行走；刹车机构的下部固定在中间支撑板上，上部安置有摩擦片；视觉机构安装在球轮机构的两侧，其固定在内部的平台上；所述球轮机构由两个对称的近似半球的球轮组成，两者中间设有密封圈，使球轮机构处于全封闭状态；球轮机构两侧分别用支撑轴承安装在球行机器人的两侧，支撑轴承固定在位于支撑骨架机构两侧的连接圆柱上；两个球轮结构相同，均由轮胎和轮毂组成；轮胎的形状为靠近密封圈处即球形机器人的竖直中心面的那一部分为水平的，从密封圈到球轮两侧支撑轴承的位置形状是弧形的；轮毂形状与轮胎形状类似，也为靠近中间的为水平的，靠近两侧的为弧形的；不同的是，在轮毂内侧有一圈突出来的摩擦环，其和传动机构上的摩擦凹轮即驱动轮配合，从而带动球轮转动；所述支撑骨架机构主要由三个环形构架，八个支撑器和两个支撑板组成；环形构架的大小为球形机器人的最大截面，三个环形构架相互垂直，通过螺栓连接在一起；第一个环形构架位于球形机器人的侧视中心平面上，将球形机器人分为左右对称的两部分，第二个环形构架位于球形机器人的前视中心平面上，将球形机器人分为前后对称的两部分，第三个环形构架位于球形机器人的俯视中心平面上，将球形机器人分为上下对称的两部分；支撑板包括中间支撑板和下部支撑板，第三个环形构架上安装有中间支撑板，两者均位于水平方向上，通过螺栓进行连接；中间支撑板上安装有刹车机构和编码电机；在球轮机构内部、中间支撑板下方设置有下部支撑板，其卡在第一个环形构架和第二个环形构架上，通过螺栓连接；下部支撑板上安装有电动机的电池和驱动轮；中间支撑板和下部支撑板通过长螺钉连接；八个支撑器均由两个支撑柱构成，每个支撑柱均通过直角连接器安装在支撑板上；其中，四个支撑器安装在下部支撑板的上部，位于球形机器人前侧的两个支撑器上安装有传动轴，传动轴上安装有驱动轮，驱动轮为摩擦凹轮；驱动轮与球轮机构的轮毂上凸出来的摩擦环配合，凹凸结构相互配合从而带动球轮转动；另外两个支撑器上安装有从动轮，其所在位置与驱动轮前后对称，均与摩擦环进行配合，从动轮的形状也为凹轮；另外四个支撑器安装在中间支撑板的上部，每个支撑器上均安装有从动轮，且都与摩擦环紧紧配合；每一个摩擦环有四个轮子与其配合，同时支撑骨架机构的两边安装有连接圆柱，连接圆柱上安装有支撑轴承，用于支撑住球轮机构两侧，使球轮的位置保持相对稳定，球形机器人行走时十分稳定；所述动力传动机构包括两个电动机，两个电动机固定在下部支撑板的下面；驱动轮和驱动齿轮固定在下部支撑板上的支撑器上，支撑器中间通过轴承安装有传动轴，驱动轮和驱动齿轮放置在传动轴上；电动机轴上固定了一个传动齿轮，V形带内部有与传动齿轮配合的齿形槽，电动机启动之后电动机轴上的传动齿轮转动，从而带动V形带传动；V形带内部的齿形槽与驱动齿轮上的齿轮进行配合，当V形带传动时带动驱动齿轮转动，因此电动机和驱动齿轮之间依靠V形带进行传动；电动机转动带动驱动齿轮转动，驱动齿轮和驱动轮均靠键槽固定在传动轴上，因此两者均跟着传动轴进行转动；驱动齿轮转动，带动传动轴上的驱动轮进行转动，驱动轮通过凹槽结构摩擦轮毂上的摩擦环，从而带动球轮进行转动；其他从动轮配合球轮进行转动，从而带动整个机构平稳运动；所述平衡机构主要由两块竖直摆放、相互垂直的动量轮和编码电机组成；采用两个编码电机带动两个动量轮，在X、Y平面上放置的编码电机和动量轮两两垂直；通过编码电机带动动量轮旋转产生角动量，根据角动量守恒原理，平衡机构会有一个与动量轮相反方向的动量，使得整个球形机器人能够回到平衡位置；所述转向机构主要由两根传动轴组成，当球形机器人直线行驶时，控制电动机的转速同步，从而使得左右两个球轮的转速相同；当球形机器人需要转弯时，通过控制两个电动机的转速不同，使内侧球轮的转速减慢，外侧球轮的转速加快，从而使球形机器人顺利完成转弯；所述刹车机构主要由两根电动推杆组成；两根电动推杆下部固定在中间支撑板上，电动推杆的上部安装有摩擦片，摩擦片的形状为弧形，与轮毂配合紧密；两者位置靠近球形机器人的两侧，两者之间的中间支撑板的位置上放置有平衡机构；当球形机器人正常行走时，电动推杆处于收缩状态，即电动推杆对球形机器人的运动几乎没有影响；当球形机器人需要刹车时，电动推杆会向上推出，从而带动摩擦片向上移动；直到摩擦片紧贴轮毂的内壁，从而摩擦球轮使其停止转动；所述视觉机构主要由两个连接圆柱、透明半球壳、照明装置、摄像头、图像采集和视觉处理器构成，其中连接圆柱依靠直杆串在支撑骨架机构的两侧，连接圆柱上固定有支撑轴承，其由透明半球壳罩住在一起；连接圆柱上通过直角连接器伸出有平台，左右两侧的平台上安装有照明装置、摄像头、图像采集和视觉处理器，均置于透明半球壳内，通过透明半球壳进行保护；每个透明半球壳通过横杆连接在支撑轴承里面，视觉处理器安装在球形机器人的内部；具体运行方案：位于下部支撑板上的两个电动机开始工作，将动力通过V形带平稳地传送给驱动齿轮，驱动齿轮和驱动轮连接在同一根传动轴上，因此带动驱动轮进行转动，此时，两边的驱动轮同时进行转动；驱动轮的形状为凹轮，因此其与轮毂上的摩擦环进行配合摩擦，从而带动整个球轮进行转动；在此期间，位于支撑器上的从动轮也跟随球轮一块转动，使球轮转动的更加平稳；当球形机器人在行走时，刹车机构的两个电动推杆不工作，即处于收缩状态，因此几乎不影响球形机器人的正常行走；当球形机器人需要转向时，位于下部支撑板上的转向机构开始工作；控制两个电动机的转速不同，从而使传动轴的转速不同，则两个球轮的转速不等，控制整个球形机器人的转向；当球形机器人需要停止转动时，位于中间支撑板上的刹车机构开始工作；首先位于下部支撑板上的电动机停止工作，切断动力来源，然后两个电动推杆开始工作，同时向上伸出，使电动推杆上部的摩擦片紧紧贴合轮毂的内壁，从而依靠摩擦使整个球轮停止转动，即球形机器人停止运动；在球形机器人工作的期间，平衡机构始终保持运作，当球形机器人受到任一方向的外力时，平衡机构可使其迅速调整姿态，使球形机器人始终处于相对稳定的状态；位于球形机器人两侧的视觉机构在球形机器人运行状态下，依然可以平稳的采集信息，其摄像范围广，采集信息能力强。

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