CN102431605A - 球-轮复合可变形移动机器人 - Google Patents

Abstract

球-轮复合可变形移动机器人包括球壳、球壳内部框架、球体驱动装置、球壳伸缩变形装置和轮式驱动装置。球体驱动装置、球壳伸缩变形装置和轮式驱动装置安置在球壳内的框架上。球壳由多根扁平辐条状弹性材料组成，弹性材料两端固定在球壳内部框架，通过球壳伸缩变形装置来实现球壳的弹性材料的弯曲变形，以实现球形和轮式机器人之间的角色变换。当球壳处于球体或类球体状态时，移动机器人通过球体滚动来实现运动；当球壳处于圆柱状或类圆柱状时，机器人通过轮式驱动来实现运动。本球-轮复合可变形机器人融合了球形机器人和轮式机器人的特点，具有不同的运动模式和良好的运动特性，可以更好地适应不同路面状况环境，从而有着广泛的应用前景。

Description

球-轮复合可变形移动机器人

技术领域

本发明设计一种移动机器人，具体地说是一种通过自身几何形状发生变化以实现球形和轮式机器人互换复合移动机器人。

背景技术

随着机器人技术的不断发展，机器人在执行社会服务、灾难救援、星球探测、战场侦查等任务时，所处的环境在不断地变化，这对移动机构本身的运动灵活性和环境适应性等特性提出了更高的要求。其中，可变形复合机器人能够根据所处环境的变化而改变自身的构形，因此其得到了广泛和迅速的发展和应用。轮腿式复合机器人融合了腿式的地形适应能力和轮式高速高效的特点，作业范围大，越障避障能力强，其典型代表有JPL的Go-for，赫尔辛基大学的Hybtor；腿-轮-履带组合式结合了轮式、腿式和履带的多模式行走结构，其代表有加拿大的AZIMUT。

球形机器人是一种新型的移动机器人。其造型新颖别致，具有一个球形或类球形的外壳，以滚动方式行走。球形机器人引起了越来越多的国内外研究人员的关注，并在工业、民用和军事上具有广泛的应用前景，是目前智能机器人研究领域的热点问题之一。

轮式移动机器人是一种发展比较早而且成熟的机器人，它可以使机器人能够在平坦路面高速稳定地运动，而且结构简单，控制方便。但是在野外凹凸不平或松软路面上工作时，轮式移动机器人就显得非常吃力。所以轮式机器人对路面状况的要求比较高。

但现有的移动机器人中没有将球形机器人和轮式机器人相结合的类型，没有将球形机器人和轮式机器人的运动特点结合起来，以适应多种不同的环境。

发明内容

本发明的目的是克服现有的技术不足，提供一种通过自身变形可实现球形和轮式机器人两种运动方式，并对各种复杂环境都有较强适应能力的移动机器人。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

球-轮复合可变形移动机器人，它包括球壳、球壳内部框架、球体驱动装置、球壳伸缩变形装置和轮式驱动装置。

可变形球壳是该球形机器人中的重要组成部分，通过其变形伸缩来改变机器人的运动方式。当球壳处于球体或类球体状态时，机器人通过球体滚动来实现运动；当球壳处于圆柱状或类圆柱状时，机器人通过轮式驱动来实现运动。

可变形球壳是由弹性材料组成，我们将扁平辐条状的弹性材料两端以均匀的间距固定在圆板一周，弹性材料的弯曲变形是通过电动推杆的拉伸来实现的，将连接弹性材料两端的圆板相对位置发生改变，这样使得机器人的外壳的几何形状发生变化，以此来实现机器人运动方式的改变。球形机器人在运动时，与地面接触的弹性材料能够承受机器人自身的重量，不发生太大的变形，不影响机器人的稳定运动。

当可变形球壳处于球体或类球体状态时，实现球体滚动的球壳内部的推进装置，它由长轴框架，重摆和两个驱动电机三部分组成。长轴电机装置在长轴框架内，长轴电机输出轴通过齿轮带动长轴框架和重摆相对球壳绕长轴发生相对转动；重摆安置在长轴中部，短轴电机固联于长轴框架上，短轴电机输出轴带动重摆相对内框绕短轴发生相对转动，使重摆能够绕互相垂直的两个轴转动，以此来实现球形机器人的全方位运动。

该机器人的轮式驱动采用的是四轮驱动方式，我们将长轴框架不伸缩的一端设为前端，在长轴平台板底部安装两个前端车轮和驱动电机，并在长轴平台板上放置车轮主控板和驱动板，后端车轮和电机固定在大套管的后部，四驱车轮可实现机器人的零半径转弯，运动灵活。当球壳的弹性材料被拉伸，整个机器人的外壳呈圆柱状或类圆柱状时，车轮通过弹性材料之间的间隙露出球壳外，接触到地面，就可以实现机器人的轮式运动。

本发明的运动原理为：

首先通过电动推杆电机的驱动完成球壳的收缩，使其处于球体或类球体状态，同时四个车轮都处在了球壳的内部；然后打开重摆短轴电机，由于自身重力的缘故，重摆将从与长轴水平的位置运动到与长轴垂直的位置，这样就完成了轮式机器人向球形机器人的角色变换，通过长轴电机和短轴电机的协调运动，就可以实现机器人的全方位行走。

要实现机器人的轮式运动，应先通过短轴电机将重摆转动至竖直向上的位置，将电机设置固定，这样重摆与长轴框架固联在一起；然后通过电动推杆完成球壳的拉伸，使其处于圆柱状或类圆柱状时，车轮处在球壳的外部，接触到地面，这样球形机器人变成了轮式机器人，打开轮式驱动装置，就可以实现机器人的全方位行走。

与现有的技术相比，本发明的优点就在于：

1、本发明所述的球-轮复合可变形机器人通过球壳伸缩装置可以实现球形机器人和轮式机器人角色之间的互换，对各种复杂的地理环境都有较强的适应能力。

2、本发明所述的球-轮复合可变形机器人的两种运动方式都实现了全方位运动，机器人本身也实现了系统运动冗余，当机器人的某零件发生故障时，一种运动方式无法执行时，就可以转变成另外一种运动方式继续执行任务。

3、本发明所述的球-轮复合可变形机器人在要进入球形机器人无法穿过的狭窄区域时，可以通过改变到轮式运动方式，有效的减小了机器人横向截面面积，使机器人能够顺利地通过狭窄区域。

附图说明

图1为本发明的第一种行走实现方式：球形结构前视图；

图2为本发明的第一种行走实现方式：球形结构俯视图；

图3为本发明的第一种行走实现方式：球形结构的球壳示意图；

图4为本发明的第二种行走实现方式：类圆柱结构前视图。

具体实施方式

柔性球壳包括弹性钢丝8、左端盖3和右端盖15，左右端盖3、15均为圆形铝板，弹性钢丝8共有25根，均匀分布且两端分别固定在左端盖3和右端盖15的四周边缘处。弹性钢丝8的弯曲变形是通过电动推杆10的伸缩来实现的，通过改变连接弹性钢丝8两端的左右端盖3、15相对位置，使得机器人的外壳的几何形状发生变化，以此来实现机器人运动方式的改变。球形机器人在运动时，与地面接触的弹性钢丝8能够承受机器人自身的重量，不发生太大的变形，不影响机器人的稳定运动。

球壳和内部的框架结构通过左端轴1、右端轴16连接；其中右端轴16一端与右端盖15通过轴承18、固定螺母17连接在一起，从而右端盖15可以绕右端轴16转动；右端轴16另一端通过螺纹连接与右面板13紧固在一起，形成一个不可相对活动的整体。同样的，左端轴1和左端盖3连接在一起，左端盖3可以绕左端轴1转动；左端轴1也是通过螺纹连接与左面板5紧固在一起，形成一个不可相对活动的整体。这样，外面的柔性球壳与内部的框架结构就可以通过左右端轴1、16上的两个轴承实现相对转动。另外，在左端盖3上还安装有长轴电机4，长轴电机4输出轴上安装有一个圆柱齿轮2，它与固定在左端轴1端部的圆柱齿轮29相啮合，从而为实现柔性球壳与内部框架的相对转动提供动力。

内部框架结构总体来说主要由呈矩形分布的四根粗导向管7、四根细导向管14、左面板5、左中板9、右中板11、右面板13、底板21以及其他一些零件组成。左面板5、左中板9、右中板11和右面板13均为方形铝板，且板上面都呈矩形分布四个圆形孔，其中左面板5、左右中板9、11上的孔径比粗导向管7外径稍大，保证四根粗导向管7分别可以刚好从孔中穿过；而右面板13上的孔径比细导向管14的外径稍大，保证四根细导向管14可以分别从孔中穿过。而细导向管14的外径比粗导向管7的内径稍小，并且四根细导向管14分别插入四根粗导向管7中，这样粗导向管7和细导向管14之间就形成了可以相对滑动的导向轨道。左面板5，左右中板9、11都通过固定环6夹紧固定在四根粗导向管7上，以防止在粗导向管7上滑动；右面板13则通过固定环6固定在四根细导向管14上，防止了右面板13在细导向管14上的滑动。底板21通过四个底板固定架28固定在下面的两根粗导向管7上，并且底板21两个侧面分别与左中板9和右中板11通过螺钉连接在一起。

推杆电机10左端固定在左中板9上，右端固定在右中板11伸出的一个弧形支架平台上，推杆电机10的伸缩轴可以在右中板11中心的圆形孔穿过；伸缩轴端部与套筒12的左端相固连，而套筒12的右端与右端轴16左端露出右面板13左侧的部分固连在一起；这样，当推杆电机10启动，其中心的伸缩轴伸出时，就可以推动右面板13、右端轴16、右端盖15、以及与右面板13固连在一起的四根细导向管14一起向右移动，同时随着右端盖15的右移，固连在右端盖15上的弹性钢丝8曲率半径逐渐变大，从而该机器人的形状逐渐由球形变成椭球形、最后变成类圆柱形(参考图4)。推杆电机10到达行程后伸缩轴停止伸出，这时改变推杆电机10的输入电压的正负极就会使伸缩轴缩回，就会带动右面板13、右端轴16、右端盖15、以及与右面板13固连在一起的四根细导向管14向左移动，同时会使固连在右端盖15上的弹性钢丝8曲率半径逐渐变小，从而该机器人的形状逐渐恢复成球形。

参见图1，在位于下方的两根粗导向管7上分别安装有两个行走轮20，行走轮20通过行走轮支架19固定在粗导向管7上。每个行走轮20上都固装有一个驱动电机，可以为该机器人轮式行走时提供动力。

参见图2，底板21前后两侧边缘处中间位置分别固定有一个轴承座27，重摆轴26两端分别穿过两个轴承座27的中心孔，并通过两个轴承与轴承座27连接在一起，这样重摆轴26就可以绕轴承座27中心孔轴线转动，此重摆轴26的轴线方向即该机器人的短轴方向。重摆轴26两端分别安装有一个重摆25，两个重摆25可以随重摆轴26一起转动。重摆轴26转动的动力来自于短轴电机23，短轴电机23固定在电机固定架24上，电机固定架24用螺钉固定在底板21上，短轴电机23的输出轴上安装有圆柱齿轮22，与重摆轴26上的圆柱齿轮相啮合，从而就可以带动重摆轴26和重摆25转动。

参见图1、图2，为该机器人的第一种行走方式下的结构图。此时，该机器人为球形结构，实现球体滚动的是球壳内部的推进装置，它由长轴框架，重摆25和两个驱动电机(长轴电机4和短轴电机23)三部分组成。长轴电机4装置左端盖3上，长轴电机4输出轴通过齿轮可以带动长轴框架和重摆25相对球壳绕长轴轴线方向转动；重摆25安装在长轴框架中部，短轴电机23固联于长轴框架上的底板21上，短轴电机23输出轴带动重摆25可以绕短轴方向转动，这样就可以实现重摆25绕互相垂直的两个轴转动，以此来实现球形机器人的全方位运动。在第一种行走方式下，该球形机器人直线行走时，重摆25竖直垂下，长轴方向与短轴方向均为水平，规定沿短轴方向为前后方向，长轴方向为左右方向，此时长轴电机4输出轴上的齿轮2带动齿轮29转动，带动长轴框架转动，从而带动重摆25前倾，机器人整体重心前移，在重力作用下实现球形机器人的向前行走。该球形机器人转弯行走时，假设要向左转弯，则短轴电机23带动重摆25向左转过一定角度，机器人整体重心左移，在重力作用下机器人会绕短轴方向向左翻滚一定角度。此时，短轴方向仍然为水平方向，但是长轴方向却与地面水平方向形成一定的夹角。此时，长轴电机4带动长轴框架连同重摆25绕长轴轴线方向转动，会使机器人整体重心向左前方偏移，在重力作用下实现机器人的向左转弯。如果要向右转弯，原理与此类似，只不过刚开始重摆25要向右转动，带动机器人整体重心右偏。

参见图4，为该机器人的第二种行走方式下的结构图。要实现机器人的轮式运动，应先通过短轴电机23将重摆25转动至与如图所示的竖直向上的位置，打开重摆自锁装置，将重摆25与长轴框架固联在一起；然后通过电动推杆10完成球壳的拉伸，使其处于圆柱状或类圆柱状时，行走轮20就可通过球壳上弹性钢丝8之间的空隙露出球壳的外部，接触到地面，这样球形机器人变成了轮式机器人，打开轮式驱动装置，就可以在四驱车轮的驱动下实现机器人的全方位行走。

Claims (10)

1.球-轮复合可变形移动机器人，包括柔性球壳、球壳内部框架、球体驱动装置、球壳伸缩变形装置和轮式驱动装置。其特征是柔性球壳在球壳伸缩装置的作用下可以发生伸缩变形，已完成移动机器人在球形机器人和轮式机器人之间的角色变换。

2.根据权利要求1所述的球-轮复合可变形移动机器人，其特征是：呈球形机器人运动状态时，所述的机器人运动由柔性球壳、球壳内部框架和球体驱动装置三部分完成。

3.根据权利要求1所述的球-轮复合可变形移动机器人，其特征是：呈轮式机器人运动状态时，所述的机器人运动由球壳内部框架和轮式驱动装置两部分完成。

4.根据权利要求1所述的球-轮复合可变形移动机器人，其特征是：所述的柔性球壳由多根扁平辐条状的弹性材料固接在机器人左右两端盖构成。

5.根据权利要求1所述的球-轮复合可变形移动机器人，其特征是：所述的球体驱动装置、球壳伸缩变形装置和轮式驱动装置都安置在球壳内部框架上。

6.根据权利要求1和5所述的球-轮复合可变形移动机器人，其特征是：所述的球壳内部框架主要由呈矩形分布的导向管穿过方形面板组成。

7.根据权利要求1和5所述的球-轮复合可变形移动机器人，其特征是：所述的球体驱动装置包括长轴框架，重摆和两个驱动电机(长轴电机和短轴电机)三部分组成。

8.根据权利要求1和6所述的球-轮复合可变形移动机器人，其特征是：所述的长轴电机平行于长轴轴线，带动长轴框架和重摆绕长轴轴线转动；所述的短轴电机垂直与长轴轴线，带动重摆绕短轴轴线转动。

9.根据权利要求1和5所述的球-轮复合可变形移动机器人，其特征是：所述的球壳伸缩变形装置是由推杆电机通过电机支架平台固定在中板，其伸缩轴通过套筒固联在右面板，伸缩轴在推杆电机中的伸出和缩回实现左右面板和左右端板在长轴方向的相对移动，从而使得柔性球壳发生变形。

10.根据权利要求1和5所述的球-轮复合可变形移动机器人，其特征是：所述的轮式驱动装置采用的是四轮驱动装置，是由四个行走轮通过支架装在粗导向管上，每个行走轮装有一个驱动电机来实现运动。

Images