CN103387016A - 半球差动可伸缩式球形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供半球差动可伸缩式球形机器人，包括外壳半球壳体、驱动部分、伸缩机构，驱动部分采用双电机驱动结构，左右半球各由一个电机驱动，应用半球差动原理，实现机器人的前进、后退、原地转向等运动功能；机器人的伸缩机构应用丝杠的螺纹传动原理，实现两个外壳半球的伸缩；机器人的伸缩机构采用双十字形四伸缩杆结构设计。本发明的伸缩机构采用双十字形四伸缩杆结构设计，增大了机器人在行进时所能承受的最大载荷，并且提高了机器人滚动前进时的内部结构的稳定性与可靠性。该伸缩球形机器人用途广泛，通过搭载不同的传感器等，能够实现相应的执行现场任务的技术应用需求。

Description

半球差动可伸缩式球形机器人

技术领域

本发明涉及的是一种机器人，具体地说是球形机器人。

背景技术

随着现代机器人技术的飞速发展，各种各样的机器人投入到了实际使用当中。其中，球形机器人具有良好的动态和静态平衡性，不会因为碰撞和跌落产生失稳状态，以及高机动性、灵活性等特点。目前，国内外也已经研究出很多结构不同的球形机器人，但是现有的球形机器人都是半球不可伸缩式的，因此，在某些特殊环境和场合里极大地限制住了球形机器人的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供适用于娱乐、运输、探测、消防、灾难救援以及太空探索等领域的半球差动可伸缩式球形机器人。

本发明的目的是这样实现的：

本发明半球差动可伸缩式球形机器人，其特征是：包括第一外壳半球机构、第二外壳半球机构，第一外壳半球机构包括外壳半球壳体、伸缩机构部分、驱动部分；驱动部分包括车体架，车体架上安装驱动电机和蜗轮蜗杆减速箱，驱动电机和蜗轮蜗杆减速箱的输入轴相连；伸缩机构包括十字形伸缩管连架、十字形伸缩电机架、外壳连接架，十字形伸缩管连架的四个支出的边上分别安装第一-第四外伸缩管，十字形伸缩电机架的四个支出的边上分别安装第一-第四内伸缩管，第一-第四内伸缩管分别安装在第一-第四外伸缩管里、并可分别沿第一-第四外伸缩管往复移动，十字形伸缩电机架的中心位置安装伸缩电机，伸缩电机连接伸缩丝杠，伸缩丝杠穿过十字形伸缩管连架的中心并与其螺纹传动配合，蜗轮蜗杆减速箱的输出轴与十字形伸缩电机架固连，第一-第四外伸缩管均与外壳连接架固连，外壳连接架与外壳半球壳体的内表面固连；第二外壳半球机构与第一外壳半球机构结构相同，第一外壳半球机构的车体架与第二外壳半球机构的车体架固连在一起，当第一外壳半球机构和第二外壳半球机构的伸缩机构处于收缩状态时，第一外壳半球机构的外壳半球壳体和第二外壳半球机构的外壳半球壳体相连形成球体。

本发明还可以包括：

1、第一外壳半球机构的外壳半球壳体的断面和第二外壳半球机构的外壳半球壳体的断面上均安装密封圈，当第一外壳半球机构的外壳半球壳体和第二外壳半球机构的外壳半球壳体相连形成球体时，密封圈将球体密封；第一外壳半球机构的外壳半球壳体上和第二外壳半球机构的外壳半球壳体上沿圆周方向分别安装有外部小轮。

2、第一外壳半球机构的驱动电机与第二外壳半球机构的驱动电机的位置相差180度。

本发明的优势在于：本发明是一种基于丝杠传动原理的可伸缩式球形机器人。通过球体内伸缩机构的收缩与张开可以实现机器人外部半球的合紧与分离，从而提高了球形机器人的越障能力及扩展应用能力等。机器人内收缩机构可以实现完全收缩，机器人的两个半球处于合紧状态，从而将机器人内部与外界隔绝，使机器人处于封闭状态，具有隔水隔热隔绝外部空气的功能。机器人的伸缩机构采用双十字形四伸缩杆结构设计，增大了机器人在行进时所能承受的最大载荷，并且提高了机器人滚动前进时的内部结构的稳定性与可靠性。该伸缩球形机器人用途广泛，通过搭载不同的传感器等，能够实现相应的执行现场任务的技术应用需求。该球形机器人通过外壳半球的分离，除了可以提高越障通行能力外，在半球打开后还可以将球体内所携带的物品完全释放出来，这在作为运输机器人方面有极大的实用价值，因此，做为火灾、地震等灾难救援机器人，可将所携带的救援物品及时方便地送达到被困人员处。本发明还可作为娱乐机器人、家庭服务机器人，可在其使用完毕后自行收缩回球形。当机器人内收缩机构处于完全收缩状态时，机器人的两个半球处于合紧状态，可以将内部与外界完全隔绝，具有隔水隔热等功能，因此本发明还可以作为星球探测机器人，当机器人进入安全环境后，机器人半球才完全打开，机器人球体内携带的各种探测传感器可以对所在星球环境进行充分探测。因此，本发明中的半球差动可伸缩式球形机器人有良好的研究和应用发展前景。

附图说明

图1为本发明处于合紧状态时传动关系全剖示意图；

图2为本发明处于完全张开状态时传动关系全剖示意图；

图3为本发明外部小轮安装布置示意图；

图4a为机器人伸缩机构部分I全剖示意三视图a；图4b为机器人伸缩机构部分I全剖示意三视图b；图4c为机器人伸缩机构部分I全剖示意三视图c；

图5a为机器人张开、合紧、前进、后退、原地转向等动作过程示意图a；图5b为机器人张开、合紧、前进、后退、原地转向等动作过程示意图b；图5c为机器人张开、合紧、前进、后退、原地转向等动作过程示意图c；图5d为机器人张开、合紧、前进、后退、原地转向等动作过程示意图d；图5e为机器人张开、合紧、前进、后退、原地转向等动作过程示意图e；图5f为机器人张开、合紧、前进、后退、原地转向等动作过程示意图f；

图6a为机器人遇到小障碍物动作过程示意图a；图6b为机器人遇到小障碍物动作过程示意图b；图6c为机器人遇到小障碍物动作过程示意图c；图6d为机器人遇到小障碍物动作过程示意图d；

图7a为机器人遇到大障碍物动作过程示意图a；图7b为机器人遇到大障碍物动作过程示意图b；图7c为机器人遇到大障碍物动作过程示意图c；图7d为机器人遇到大障碍物动作过程示意图d；图7e为机器人遇到大障碍物动作过程示意图e；图7f为机器人遇到大障碍物动作过程示意图f；

图8a为机器人投放落地后任意状态张开动作过程示意图a；图8b为机器人投放落地后任意状态张开动作过程示意图b；图8c为机器人投放落地后任意状态张开动作过程示意图c；图8d为机器人投放落地后任意状态张开动作过程示意图d；

图9a为机器人狭窄区域通过过程示意图a；图9b为机器人狭窄区域通过过程示意图b；图9c为机器人狭窄区域通过过程示意图c；图9d为机器人狭窄区域通过过程示意图d。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～9，本发明半球差动可伸缩式的球形机器人的运动机构采用双电机驱动结构，左右半球各由一个电机驱动，应用半球差动原理，实现机器人的前进、后退、原地转向等运动功能；机器人的伸缩机构应用丝杠的螺纹传动原理，实现两个外壳半球的伸缩，提高了机器人的灵活性和机动性。机器人的伸缩机构采用双十字形四伸缩杆结构设计，增大了机器人在行进时所能承受的最大载荷，并且提高了机器人滚动前进时的内部结构的稳定性与可靠性。

本发明包含的部件：机器人主要是由外壳半球2、35、外壳连接架7、26、伸缩机构5、6、9、10、11、12、13、14、23、24、27、28、29、30、31、32、十字形伸缩管连架15、33、伸缩电机16、22、伸缩丝杠8、25、十字形伸缩电机架4、34、联轴器3、17、20、21、减速箱18、36、驱动电机1、19、车体架37、外部小轮38、41、密封圈39、40构成。

本发明采取了如下的技术方案：机器人本体为对称式结构，外壳半球部分I与外壳半球部分II、伸缩机构部分I与伸缩机构部分II、驱动部分I与驱动部分II结构相同。以下仅对外壳半球I、伸缩机构部分I和驱动部分I的结构组成做出详细说明：

结合图1，图2，图3，对外壳半球部分I详细说明。外壳半球部分I由外壳半球I2、外部小轮II41、密封圈II40以及外壳连接架7组成。外壳半球I2采用整体成型结构，密封圈II40固定安装于外壳半球I2的断面上，在伸缩机构收紧之后，用于密封机器人内部，使机器人内部与外界隔绝，可以防止外界气体和液体进入机器人内部。外部小轮II41均匀分布安装于外壳半球I2的断面边缘一圈，紧挨密封圈II40的内侧，且外部小轮II41的转动方向与内部伸缩机构的伸缩方向一致，在机器人外壳半球I2打开或者收缩时，外部小轮II41沿伸缩方向转动，可以极大地减小了机构伸缩时的阻力。外壳半球I2通过外壳连接架I7与内部伸缩机构部分I固定连接。

结合图1，图2，图4，对伸缩机构部分I详细说明。伸缩机构部分I由外伸缩管I5、内伸缩管I6、外伸缩管II9、内伸缩管II10、外伸缩管III11、内伸缩管III12、外伸缩管Ⅳ13、内伸缩管Ⅳ14、十字形伸缩管连架I15、伸缩电机I16、十字形伸缩电机架I4和伸缩丝杠I8组成。外伸缩管I5、外伸缩管II9、外伸缩管III11和外伸缩管Ⅳ13通过十字形伸缩管连架I15固连为一体，且外伸缩管I5、外伸缩管II9、外伸缩管III11和外伸缩管Ⅳ13又分别与外壳连接架7固连，内伸缩管I6、内伸缩管II10、内伸缩管III12、内伸缩管Ⅳ14分别与十字形伸缩电机架I4固连，十字形伸缩电机架I4又通过联轴器II17与蜗轮蜗杆减速箱I18的输出轴固定连接。伸缩电机I16安装于十字形伸缩电机架I4上。十字形伸缩管连架I15与伸缩丝杠I8为螺纹传动配合。根据以上连接关系，伸缩电机I16驱动伸缩丝杠I8输出的回转运动即可转化为十字形伸缩管连架I15的直线运动，从而实现机器人外壳半球部分I的移动。通过伸缩电机I16和伸缩电机II22的配合工作，最终实现机器人外壳半球I2和外壳半球II35的合紧与分离动作。

结合图1，图2，对驱动部分I详细说明。驱动部分I由驱动电机I1、联轴器I3、蜗轮蜗杆减速箱I18、联轴器II17和车体架37组成。驱动电机I1和蜗轮蜗杆减速箱I18分别安装固定于车体架37上，驱动电机I1的输出轴通过联轴器I3与蜗轮蜗杆减速箱I18的输入轴固连，蜗轮蜗杆减速箱I18的输出轴通过联轴器II17与十字形伸缩电机架I15固连。根据以上连接关系，驱动电机I1工作时，即可驱动半球外壳I2转动。通过驱动电机I1和驱动电机II19的配合工作，最终实现机器人的前进、后退和原地转向等动作。

结合图5，对机器人在实现分离、前进、后退、原地转向、合紧动作过程的情况进行说明。首先，伸缩电机I16、伸缩电机II22同时分别驱动伸缩机构部分I、伸缩机构部分II实现伸出动作，使机器人外壳半球I2、外壳半球II35分离，从而使机器人实现分离动作。与地面接触的外部小轮II41随着外壳半球I2、外壳半球II35的分离而转动，可以极大地减小了机构伸开时的阻力。外壳半球I2、外壳半球II35打开至合适位置。其次，驱动电机I1、驱动电机II19以相同转速、相同转向通过前文所述的固连关系驱动机器人外壳半球I2、外壳半球II35相同速度、相同方向转动，从而使机器人实现前进动作。驱动电机I1、驱动电机II19再以相同速度逆向转动，从而使机器人实现后退动作。驱动电机I1、驱动电机II19分别以相同速度、相反转向通过前文所述的固连关系驱动机器人外壳半球I2、外壳半球II35进行转动，从而实现机器人原地转向动作。最后，伸缩电机I16、伸缩电机II22同时分别驱动伸缩机构部分I、伸缩机构部分II实现收缩动作，使机器人外壳半球I2、外壳半球II35合紧，从而使机器人实现合紧动作。与地面接触的外部小轮II41随着外壳半球I2、外壳半球II35的合紧而转动，减小了机构合紧时的阻力。

在机器人前进时遇到障碍物，机器人可以根据所携带的传感器对障碍物大小进行判断，从而确定是否可以直接进行越障。经判断后，遇到小障碍物(42)机器人可以直接进行越障通过，遇到大障碍物(43)机器人则进行避障及越障通过。

结合图6，对机器人在行进移动时遇到小障碍物42时的越障情况进行说明。首先，伸缩电机I16、伸缩电机II22同时分别驱动伸缩机构部分I、伸缩机构部分II伸出，从而使机器人实现分离动作，机器人外壳半球I2、外壳半球II35逐渐打开至合适位置。其次，驱动电机I1、驱动电机II19以相同转速、相同转向通过前文所述的固连关系驱动机器人外壳半球I2、外壳半球II35相同速度、相同方向转动，从而使机器人实现前进动作。机器人从小障碍物42上方通过。最后，在障碍物不阻碍机器人前进的情况下，机器人完全越过小障碍物42，最终机器人实现越障并继续前进。

结合图7，对机器人在行进移动时遇到大障碍物43时的越障情况进行说明。在机器人行进过程中遇到无法直接越长通过的大障碍物(43)时，机器人会经过避障处理后进行越障，首先，驱动电机I1、驱动电机II19分别以相同速度、相反转向通过前文所述的固连关系驱动机器人外壳半球I2、外壳半球II35进行转动，从而实现机器人原地转向动作，使机器人转过合适的角度。其次，驱动电机I1、驱动电机II19以相同转速、相同转向通过前文所述的固连关系驱动机器人外壳半球I2、外壳半球II35相同速度、相同方向转动，从而使机器人实现前进动作，机器人前进至合适的位置，停止前进。再次，驱动电机I1、驱动电机II19分别以相同速度、相反转向通过前文所述的固连关系驱动机器人外壳半球I2、外壳半球II35进行转动，从而实现机器人原地转向动作，使机器人转过合适的角度。最后，驱动电机I1、驱动电机II19以相同转速、相同转向通过前文所述的固连关系驱动机器人外壳半球I2、外壳半球II35相同速度、相同方向转动，从而使机器人实现前进动作，最终机器人通过绕行大障碍物43的方式完全越过大障碍物43并继续前进。

结合图8，对机器人在投放落地后处于任意状态张开动作过程进行说明。在机器人投放落地后，外壳半球I2、外壳半球II35可能处于任意状态，如：外壳半球II35与地面44接触而外壳半球I2未与地面44接触的不平衡状态，机器人需要通过张开动作使外壳半球I2、外壳半球II35同时与地面44接触，从而使机器人处于平衡状态。结合图8，伸缩电机I16、伸缩电机II22同时分别驱动伸缩机构部分I、伸缩机构部分II实现伸出动作，使机器人外壳半球I2、外壳半球II35分离，从而使机器人实现分离动作。在外壳半球I2、外壳半球II35打开的过程中，机器人重心发生偏移，外壳半球I2缓慢下落。当外壳半球I2、外壳半球II35打开至一定位置后，外壳半球I2最终完全与地面44接触。最后，外壳半球I2、外壳半球II35分别与地面44接触，从而使机器人处于平衡状态。

结合图9，对机器人在狭窄区域(45)通过过程进行说明。机器人在行进过程中遇到狭窄区域，机器人需要通过外壳半球I2、外壳半球II35的合紧动作减小机器人的外形体积，以求在狭窄区域中通过。首先，伸缩电机I16、伸缩电机II22同时分别驱动伸缩机构部分I、伸缩机构部分II实现收缩动作，从而使机器人实现合紧动作，机器人外壳半球I2、外壳半球II35逐渐收缩至合适位置。其次，驱动电机I1、驱动电机II19以相同转速、相同转向通过前文所述的固连关系驱动机器人外壳半球I2、外壳半球II35相同速度、相同方向转动，从而使机器人实现前进动作。通过上述一系列动作使机器人实现在狭窄区域45中前进。最终，机器人完全通过狭窄区域(45)并继续前进。

Claims (3)

1.半球差动可伸缩式球形机器人，其特征是：包括第一外壳半球机构、第二外壳半球机构，第一外壳半球机构包括外壳半球壳体、伸缩机构部分、驱动部分；驱动部分包括车体架，车体架上安装驱动电机和蜗轮蜗杆减速箱，驱动电机和蜗轮蜗杆减速箱的输入轴相连；伸缩机构包括十字形伸缩管连架、十字形伸缩电机架、外壳连接架，十字形伸缩管连架的四个支出的边上分别安装第一-第四外伸缩管，十字形伸缩电机架的四个支出的边上分别安装第一-第四内伸缩管，第一-第四内伸缩管分别安装在第一-第四外伸缩管里、并可分别沿第一-第四外伸缩管往复移动，十字形伸缩电机架的中心位置安装伸缩电机，伸缩电机连接伸缩丝杠，伸缩丝杠穿过十字形伸缩管连架的中心并与其螺纹传动配合，蜗轮蜗杆减速箱的输出轴与十字形伸缩电机架固连，第一-第四外伸缩管均与外壳连接架固连，外壳连接架与外壳半球壳体的内表面固连；第二外壳半球机构与第一外壳半球机构结构相同，第一外壳半球机构的车体架与第二外壳半球机构的车体架固连在一起，当第一外壳半球机构和第二外壳半球机构的伸缩机构处于收缩状态时，第一外壳半球机构的外壳半球壳体和第二外壳半球机构的外壳半球壳体相连形成球体。

2.根据权利要求1所述的半球差动可伸缩式球形机器人，其特征是：第一外壳半球机构的外壳半球壳体的断面和第二外壳半球机构的外壳半球壳体的断面上均安装密封圈，当第一外壳半球机构的外壳半球壳体和第二外壳半球机构的外壳半球壳体相连形成球体时，密封圈将球体密封；第一外壳半球机构的外壳半球壳体上和第二外壳半球机构的外壳半球壳体上沿圆周方向分别安装有外部小轮。

3.根据权利要求1或2所述的半球差动可伸缩式球形机器人，其特征是：第一外壳半球机构的驱动电机与第二外壳半球机构的驱动电机的位置相差180度。

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