CN100532181C - 多运动态球形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多运动态球形机器人，包括两个半球形壳体和驱动两半球形壳体展开或闭合的螺旋伸缩机构，所述螺旋伸缩机构包括固定支架、驱动组件和两组伸缩组件，驱动组件装设于固定支架的中部，两组伸缩组件分别装设于固定支架的两端，所述各组伸缩组件一端与驱动组件相连，另一端设有一台驱动半球形壳体转动的驱动电机。该多运动态球形机器人具有球态、两轮态和弹跳三种运动形态，便于携带、运输和投放，可在多种复杂地形环境中运动。

Description

多运动态球形机器人

技术领域

本发明涉及移动机器人领域，尤其涉及多运动态球形机器人。

背景技术

球形机器人因具有小巧、轻便、方便携带、运动灵活、功能多样等显著优点，能过满足在防爆、反恐、救援等多种领域的需要，从而引起了众多国家的重视，纷纷投入资金和时间对该类机器人技术展开了研究，并且已取得了一定研究成果。

1996年，芬兰赫尔辛基工业大学自动化技术实验室的首次设计了一种球形机器人，由一球壳和球内滚动单轮机构组成，依靠体内电机结合偏心力驱动。该结构出于单轮驱动局限性，无法实现系统的全方位运动。

近年来随着我国经济发展需要和国家对智能机器人技术的大力支持，以高校、研究院领头，依托实力企业的科研模式为我国机器人产业奠定了坚实的技术基础。在此期间，球形机器人研究工作也取得了一些进展。北京邮电大学与北京航天航空大学合作研制了一个直径为320mm的球形机器人。该机器人采用了一种全新、高效的内驱动方式，能自如地完成直线、圆弧运动，运动速度达到了3m/s，能够爬上20度的斜坡，并且能够实现原地自转，利用自身的形体优势用最少的自由度，以欠驱动的方式实现了球形机器人的全方位运动。但该机器人存在体积较大、越障能力较差、运动方向控制和姿态控制性能不太理想等不足之处。在样机试验中，机器人能够比较好地实现预期的直线运动，但其它运动与预期存在较大偏差，此外球形机器人的稳定性也不理想。

目前研制的球形机器人和两轮机器人均具自稳定、自平衡的优点，但由于主要利用偏心来提供驱动转矩，其爬坡和越障性能都较差，不能适应复杂地形环境。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有球态、两轮态和弹跳三种运动形态，便于携带、运输和投放，可在多种复杂地形环境中运动的多运动态球形机器人。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。

一种多运动态球形机器人，包括两个半球形壳体和驱动两半球形壳体展开或闭合的螺旋伸缩机构，所述螺旋伸缩机构包括固定支架、驱动组件和两组伸缩组件，驱动组件装设于固定支架的中部，两组伸缩组件分别装设于固定支架的两端，所述各组伸缩组件一端与驱动组件相连，另一端设有一台驱动半球形壳体转动的驱动电机。

所述固定支架上设有滑槽，固定支架的中部设有齿轮容置部，所述驱动组件包括拨叉齿轮、展开齿轮和装设于固定支架上的展开电机，所述展开齿轮装设于展开电机的输出轴上，所述拨叉齿轮装设于齿轮容置部内并与展开齿轮啮合，所述各组伸缩组件包括滑块、拨叉螺纹套、电机螺纹套，所述拨叉螺纹套螺纹连接设于固定支架内，所述电机螺纹套螺纹连接设于拨叉螺纹套内，两处螺纹连接的螺纹旋向相反，拨叉螺纹套的拨叉部与拨叉齿轮两端的拨叉部相接，所述滑块一端与电机螺纹套固接，另一端滑设于滑槽内，所述驱动电机装设于电机螺纹套内。

所述螺旋伸缩机构上装设有弹跳机构，所述弹跳机构包括固设于固定支架上的弹跳机构支架以及装设于弹跳机构支架上的弹跳电机、蜗轮和蜗杆，所述弹跳电机的输出轴与蜗杆相连，所述蜗轮与蜗杆啮合，并通过一支承轴支承于弹跳机构支架上，支承轴的一端通过轴承套设有一拨杆，蜗轮上于拨杆同侧设有驱动拨杆转动的拨销，所述拨杆下方设有板簧，所述板簧一端固定，另一端通过一拉绳与拨杆的端部相连。

所述弹跳机构支架与固定支架之间设有橡胶垫块。

所述两半球形壳体上分别设有球壳连轴座，所述球壳连轴座包括扭簧、固定于半球形壳体上的球壳连接块和可相对球壳连接块转动的连轴挡块，所述连轴挡块装设于球壳连接块和半球形壳体之间，并通过扭簧与球壳连接块连接，所述驱动电机的输出轴与连轴挡块相接。

所述固定支架上装设有功能模块和可将功能模块伸出或收回的伸展机构。

所述伸展机构包括控制功能模块上下伸展的第一伸展舵机、第二伸展舵机、第一伸展摇臂和第二伸展摇臂、控制功能模块偏转姿态调整的第一姿态舵机、控制功能模块俯仰姿态调整的第二姿态舵机以及装设于固定支架上的舵机底座，所述第一伸展舵机固定于舵机底座上，所述第一伸展摇臂一端与第一伸展舵机的输出端相连，另一端与第二伸展舵机固接，所述第二伸展摇臂一端与第二伸展舵机的输出端相连，另一端与第一姿态舵机的输出端相连，所述第二姿态舵机的输出端与第一姿态舵机相连，所述功能模块固定于第二姿态舵机上。

所述功能模块为可见光摄像机、红外摄像机或信号中继设备。

所述固定支架底部装设有电控仓，所述电控仓内装设有控制装置和电源，所述固定支架上或弹跳机构支架上或电控仓内装设有无线收发模块。

与现有技术相比，本发明的优点就在于：

1、本发明的多运动态球形机器人具有螺旋伸缩机构和分别连于螺旋伸缩机构两端两个半球形壳体，螺旋伸缩机构可以驱动两半球形壳体闭合或展开，使机器人分别处于球态和两轮态两种运动形态。

2、当两个半球形壳体闭合时，机器人处于球态，在该状态下，便于母车对机器人携带、运输和投放，半球形壳体具有很好的抗击打能力、抗压能力和承载能力，两个半球形壳体将机器人的核心部分严实的封闭在内，起到保护机器人核心部分的作用，使机器人可适应基站发射、低空投放或母车投掷等多种投放方式，投放落地后，球态的机器人可在惯性作用下自由翻滚，球态的机器人也可在驱动电机的作用下，使球壳内部机体重心偏摆，从而实现机器人的直线运动、转向及姿态调整。

3、当两个半球形壳体在螺旋伸缩机构的驱动下展开后，机器人处于两轮态，在该状态下，两个半球形壳体在驱动电机的驱动下，可实现机器人的直线运动、转向运动和原地旋转运动，由于两轮态的重心更稳，使机器人在运动过程中具有更好的平稳性和灵活性。

4、机器人装设有弹跳机构，弹跳机构由弹跳电机驱动蜗轮蜗杆机构，由蜗轮上的拨销带动拨杆，由拨杆通过拉绳使板簧压缩，当拨杆将运动至最高位置时，板簧被压缩至极限，当拨销推动拨杆越过最高点后，通过轴承套设于支承轴上的拨杆失去周向转动的约束，并在板簧作用下迅速滑至最低位置，板簧能量得以迅速释放，板簧在释放能量时高速撞击地面，机器人借撞击反作用力实现跳跃运动，在行进过程中，机器人可利用弹跳机构跨越数倍于自身高度的障碍；若机器人在恶劣地面环境中陷入困境，也可利用弹跳机构的暴发力摆脱困境；机器人处于两轮态时，可通过弹跳机构将板簧调整至适当位置，利用板簧自身的刚度为机器人的运动提供一个有效的支撑力，提高机器人在两轮态运动中的平稳性，同时还可以增大机器人的运动牵引力，提高其地面通过性。

5、两个半球形壳体与螺旋伸缩机构经由球壳连轴座连接，球壳连轴座内装有扭簧，为一弹性连接机构，可起到减振与卸载的作用。

6、两个半球形壳体展开后，便于将搭载的功能模块如可见光摄像机、红外摄像机、信号中继设备等显露出来，并可通过伸展机构将功能模块伸出球壳，若功能模块为可见光摄像机或红外摄像机，则可完成对周围环境实施侦察并形成图像反馈的任务，若功能模块为信号中继设备，则可完成信号传输的任务。

7、在固定支架底部装设有电控仓，可在电控仓内装设控制装置、电源和无线收发模块等，电控仓可对装设于内的各种装置和设备起到保护作用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明拆除一侧半球形壳体后的侧视图；

图3是本发明拆除一侧半球形壳体后的立体图；

图4是本发明螺旋伸缩机构收缩状态的结构示意图；

图5是本发明螺旋伸缩机构展开状态的结构示意图；

图6是本发明球壳连接块部位的放大图；

图7是本发明弹跳机构的结构示意图；

图8是本发明展开状态下将板簧调整至适当位置后的右视图；

图9是本发明摄像侦察机构伸展状态的结构示意图。

图中各标号表示：

1、半球形壳体          2、螺旋伸缩机构

3、驱动电机            4、球壳连轴座

5、弹跳机构            6、伸展机构

7、电控仓              8、无线收发模块

21、滑块               22、固定支架

23、电机螺纹套         24、拨叉螺纹套

25、拨叉齿轮           26、展开齿轮

27、展开电机           41、球壳连接块

42、连轴挡块           43、扭簧

51、弹跳电机           52、弹跳机构支架

53、蜗轮               54、蜗杆

55、拨销               56、支承轴

57、拨杆               58、拉绳

59、板簧               50、橡胶垫块

61、舵机底座           62、第一伸展舵机

63、第二伸展舵机       64、第一伸展摇臂

65、第二伸展摇臂       66、第一姿态舵机

67、第二姿态舵机            68、功能模块

221、齿轮容置部             222、滑槽

具体实施方式

如图1至图3所示，本发明的多运动态球形机器人，包括两个半球形壳体1和驱动两半球形壳体1展开或闭合的螺旋伸缩机构2，在螺旋伸缩机构2驱动下，两半球形壳体1可闭合或展开，使机器人分别处于球态和两轮态两种运动形态。

如图4和图5所示，本发明多运动态球形机器人的螺旋伸缩机构2包括固定支架22、驱动组件和两组伸缩组件，驱动组件装设于固定支架22的中部，两组伸缩组件分别装设于固定支架22的两端。固定支架22上设有滑槽222，固定支架22的中部设有齿轮容置部221。驱动组件包括拨叉齿轮25、展开齿轮26和装设于固定支架22上的展开电机27，展开齿轮26装设于展开电机27的输出轴上，拨叉齿轮25装设于齿轮容置部221内并与展开齿轮26啮合。各组伸缩组件包括滑块21、拨叉螺纹套24、电机螺纹套23，拨叉螺纹套24螺纹连接设于固定支架22内，电机螺纹套23螺纹连接设于拨叉螺纹套24内，两处螺纹连接的螺纹旋向相反，拨叉螺纹套24的拨叉部与拨叉齿轮25两端的拨叉部相接，滑块21一端与电机螺纹套23固接，另一端滑设于滑槽222内，电机螺纹套23内装设有驱动半球形壳体1转动的驱动电机3。展开电机27经展开齿轮26驱动拨叉齿轮25旋转，进而拨动拨叉螺纹套24旋转，拨叉螺纹套24相对固定支架22旋出，电机螺纹套23由滑块21约速了其与固定支架22之间的转动自由度，故在旋转的拨叉螺纹套24作用下，相对固定支架22滑出，从而实现两半球形壳体1展开。展开后，展开电机27反向旋转即可实现两半球形壳体1闭合。当两个半球形壳体1闭合时，机器人处于球态，在该状态下，便于母车对机器人携带、运输和投放，半球形壳体1具有很好的抗击打能力、抗压能力和承载能力，两个半球形壳体1将机器人的核心部分严实的封闭在内，起到保护机器人核心部分的作用，使机器人可适应基站发射、低空投放或母车投掷等多种投放方式。投放落地后，球态的机器人可在惯性作用下自由翻滚；也可在驱动电机3的作用下，使球壳内部机体重心偏摆，从而实现机器人的直线运动、转向及姿态调整。当两个半球形壳体1在螺旋伸缩机构2的驱动下展开后，机器人处于两轮态，在该状态下，两个半球形壳体1在驱动电机3的驱动下，可实现机器人的直线运动、转向运动和原地旋转运动，由于两轮态的重心更稳，使机器人在运动过程中具有更好的平稳性和灵活性。

如图6所示，本发明多运动态球形机器人的两半球形壳体1上分别设有球壳连轴座4，球壳连轴座4包括扭簧43、固定于半球形壳体1上的球壳连接块41和可相对球壳连接块41转动的连轴挡块42，连轴挡块42装设于球壳连接块41和半球形壳体1之间，并通过扭簧43与球壳连接块41连接，驱动电机3的输出轴与连轴挡块42相接，这种弹性连接机构，可起到减振与卸载的作用。

如图8所示，本发明多运动态球形机器人的固定支架22底部装设有电控仓7，电控仓7内装设有控制装置、电源，弹跳机构支架52上装设有无线收发模块8。电控仓7可对装设于内的各种装置和设备起到保护作用。

如图7所示，本发明多运动态球形机器人的螺旋伸缩机构2上装设有弹跳机构5，弹跳机构5包括弹跳机构支架52以及装设于弹跳机构支架52上的弹跳电机51、蜗轮53和蜗杆54。弹跳机构支架52固设于固定支架22上，弹跳电机51的输出轴与蜗杆54相连，蜗轮53通过一支承轴56支承于弹跳机构支架52上，并与蜗杆54啮合，支承轴56的一端通过轴承套设有一拨杆57，蜗轮53上于拨杆57同侧设有驱动拨杆57转动的拨销55，拨杆57下方设有板簧59，板簧59一端固定于电控仓7上，另一端通过一拉绳58与拨杆57的端部相连。弹跳机构支架52与固定支架22之间设有橡胶垫块50，橡胶垫块50可起到缓冲、减振作用。弹跳机构5由弹跳电机51驱动蜗轮蜗杆机构，并由蜗轮53上的拨销55带动拨杆57，再由拨杆57通过拉绳58使板簧59压缩，当拨杆57将运动至最高位置时，板簧59被压缩至极限，当拨销55推动拨杆57越过最高点后，通过轴承套设于支承轴56上的拨杆57失去周向转动的约束，并在板簧59作用下迅速滑至最低位置，板簧59能量得以迅速释放，并在释放能量时高速撞击地面，机器人借撞击反作用力实现跳跃运动。在行进过程中，机器人可利用弹跳机构5跨越数倍于自身高度的障碍；若机器人在恶劣地面环境中陷入困境，也可利用弹跳机构5的暴发力摆脱困境；机器人处于两轮态时，可通过弹跳机构5将板簧59调整至如图8所示位置，便可利用板簧59自身的刚度为机器人的运动提供一个有效的支撑力，提高机器人在两轮态运动中的平稳性，同时还可以增大机器人的运动牵引力，提高其地面通过性。

如图9所示，本发明多运动态球形机器人的固定支架22上装设有功能模块68和可将功能模块68伸出或收回的伸展机构6。伸展机构6包括控制功能模块68上下伸展的第一伸展舵机62、第二伸展舵机63、第一伸展摇臂64和第二伸展摇臂65、控制功能模块68偏转姿态调整的第一姿态舵机66、控制功能模块68俯仰姿态调整的第二姿态舵机67以及装设于固定支架22上的舵机底座61。第一伸展舵机62固定于舵机底座61上，第一伸展摇臂64一端与第一伸展舵机62的输出端相连，另一端与第二伸展舵机63固接，第二伸展摇臂65一端与第二伸展舵机63的输出端相连，另一端与第一姿态舵机66的输出端相连，第二姿态舵机67的输出端与第一姿态舵机66相连，功能模块68固定于第二姿态舵机67上。功能模块68可以是可见光摄像机、红外摄像机或信号中继设备，本实施例中为可见光摄像机。两个半球形壳体1展开后，便于将搭载的功能模块68如可见光摄像机、红外摄像机、信号中继设备等显露出来，并可通过伸展机构6将功能模块68伸出半球形壳体1。若功能模块68为可见光摄像机或红外摄像机，则可完成对周围环境实施侦察并形成图像反馈的任务，若功能模块68为信号中继设备，则可完成信号传输的任务。

Claims (7)

1、一种多运动态球形机器人，其特征在于包括两个半球形壳体(1)和驱动两半球形壳体(1)展开或闭合的螺旋伸缩机构(2)，所述螺旋伸缩机构(2)包括固定支架(22)、驱动组件和两组伸缩组件，驱动组件装设于固定支架(22)的中部，两组伸缩组件分别装设于固定支架(22)的两端，所述各组伸缩组件一端与驱动组件相连，另一端设有驱动半球形壳体(1)转动的驱动电机(3)，所述固定支架(22)上设有滑槽(222)，固定支架(22)的中部设有齿轮容置部(221)，所述驱动组件包括拨叉齿轮(25)、展开齿轮(26)和装设于固定支架(22)上的展开电机(27)，所述展开齿轮(26)装设于展开电机(27)的输出轴上，所述拨叉齿轮(25)装设于齿轮容置部(221)内并与展开齿轮(26)啮合，所述各组伸缩组件包括滑块(21)、拨叉螺纹套(24)、电机螺纹套(23)，所述拨叉螺纹套(24)螺纹连接设于固定支架(22)内，所述电机螺纹套(23)螺纹连接设于拨叉螺纹套(24)内，两处螺纹连接的螺纹旋向相反，拨叉螺纹套(24)的拨叉部与拨叉齿轮(25)两端的拨叉部相接，所述滑块(21)一端与电机螺纹套(23)固接，另一端滑设于滑槽(222)内，所述驱动电机(3)装设于电机螺纹套(23)内，所述螺旋伸缩机构(2)上装设有弹跳机构(5)，所述弹跳机构(5)包括固设于固定支架(22)上的弹跳机构支架(52)以及装设于弹跳机构支架(52)上的弹跳电机(51)、蜗轮(53)和蜗杆(54)，所述弹跳电机(51)的输出轴与蜗杆(54)相连，所述蜗轮(53)与蜗杆(54)啮合，并通过一支承轴(56)支承于弹跳机构支架(52)上，支承轴(56)的一端通过轴承套设有一拨杆(57)，蜗轮(53)上于拨杆(57)同侧设有驱动拨杆(57)转动的拨销(55)，所述拨杆(57)下方设有板簧(59)，所述板簧(59)一端固定，另一端通过一拉绳(58)与拨杆(57)的端部相连。

2、根据权利要求1所述的多运动态球形机器人，其特征在于：所述弹跳机构支架(52)与固定支架(22)之间设有橡胶垫块(50)。

3、根据权利要求1或2所述的多运动态球形机器人，其特征在于：所述两半球形壳体(1)上分别设有球壳连轴座(4)，所述球壳连轴座(4)包括扭簧(43)、固定于半球形壳体(1)上的球壳连接块(41)和可相对球壳连接块(41)转动的连轴挡块(42)，所述连轴挡块(42)装设于球壳连接块(41)和半球形壳体(1)之间，并通过扭簧(43)与球壳连接块(41)连接，所述驱动电机(3)的输出轴与连轴挡块(42)相接。

4、根据权利要求3所述的多运动态球形机器人，其特征在于：所述固定支架(22)上装设有功能模块(68)和可将功能模块(68)伸出或收回的伸展机构(6)。

5、根据权利要求4所述的多运动态球形机器人，其特征在于：所述伸展机构(6)包括控制功能模块(68)上下伸展的第一伸展舵机(62)、第二伸展舵机(63)、第一伸展摇臂(64)和第二伸展摇臂(65)、控制功能模块(68)偏转姿态调整的第一姿态舵机(66)、控制功能模块(68)俯仰姿态调整的第二姿态舵机(67)以及装设于固定支架(22)上的舵机底座(61)，所述第一伸展舵机(62)固定于舵机底座(61)上，所述第一伸展摇臂(64)一端与第一伸展舵机(62)的输出端相连，另一端与第二伸展舵机(63)固接，所述第二伸展摇臂(65)一端与第二伸展舵机(63)的输出端相连，另一端与第一姿态舵机(66)的输出端相连，所述第二姿态舵机(67)的输出端与第一姿态舵机(66)相连，所述功能模块(68)固定于第二姿态舵机(67)上。

6、根据权利要求5所述的多运动态球形机器人，其特征在于：所述功能模块(68)为可见光摄像机、红外摄像机或信号中继设备。

7、根据权利要求6所述的多运动态球形机器人，其特征在于：所述固定支架(22)底部装设有电控仓(7)，所述电控仓(7)内装设有控制装置和电源，所述固定支架(22)上或弹跳机构支架(52)上或电控仓(7)内装设有无线收发模块(8)。

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