CN103407512A - 多态球形跳跃机器人 - Google Patents

Abstract

多态球形跳跃机器人属于机器人领域。其特征在于：包括机械本体和控制系统两部分组成；机械本体包括有两个气缸固定框架、移动框架；移动框架内侧板在丝杠的驱动下带动整个移动框架向中心或者向两端运动，实现两侧半球形球壳的展开和闭合控制；球壳展开时支撑整个机器人以两轮态运行，球壳完全闭合时呈圆球态，并能够完全包裹机器人内部机构；所述控制系统包括上位机和下位机两部分；其中上位机实现机器人的运动控制、弹跳控制以及状态显示功能；下位机包括主控制模块、球壳控制模块、运动控制模块、弹跳控制模块、数据采集模块、姿态检测模块和数据传输模块。该机器人具有结构简单，多运动态、适应能力强和可控性能好等优点。

Description

多态球形跳跃机器人

技术领域：

本发明涉及的是一种多态球形跳跃机器人，属于机器人技术领域。

背景技术：

随着机器人技术的不断发展，机器人的应用扩展到灾后救援、星际探测、军事侦察及反恐等领域。与之对应的是对机器人的要求也越来越高。

球形机器人以其灵活度高、抗冲击性强等优点，在许多领域应用较为广泛。目前球形机器人多采用内部驱动即重力矩进行驱动，重力矩在具体实现形式上一般是设法使机器人重心偏离球体的几何形中心，从而决定了这种球形机器人只能采用滚动的运动方式，因此其爬坡和越障能力不足，不能适应较为复杂的地形环境。同时该类球形机器人还存在以下缺点和问题：

1、运动过程较难控制；球形机器人在运动过程中球壳完全闭合，球体与接触面发生近似的点接触，因此其运动过程较难控制、稳定性较差，在爬坡、越障过程中受外界干扰后，很难恢复原来的运动轨迹。

2、整体功能较弱；由于机器人以球体滚动为主要运动方式，而由于球壳存在使机器人内部整体相对于外界具有封闭性，因此不便于安装对应的传感器进行相应的勘探和测量。

3、研究及分析困难；球形运动机器人的控制涉及到是一个非完整系统，由于非完整系统在减少机械结构复杂性的同时，对系统的分析和控制带来了很大的难度。

专利申请号为“200710192461.3”名称为“多运动态球形机器人”的发明专利，公开了一种球形弹跳机器人，其包括两个半球形壳体和驱动半球形壳体展开和闭合的螺旋伸缩机构，螺旋伸缩机构上装设有弹跳机构。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。该种机器人从根本上摆脱了依靠重力矩驱动的球形机器人的相对固定的模式，同时由于其可以实现两轮态的运动，转向时具有独特的优势，比其他运动方式能更灵活地转向；配合对应的弹跳装置和控制系统，使机器人具有一定的越障功能，并可以实现机器人不同的运动状态之间的切换。

该方案存在以下缺点：

（1）越障能力不足；由于其弹跳动力来源于机器人下所安装的板簧，而板簧的形变较小且较难控制，导致其弹跳能力不足，因此其弹跳高度有限且不可控制。同时由于弹跳能力较弱，因此各个部分之间无法完全实现协调控制，整体控制效果不好。

（2）机械本体结构较为复杂；由于跳跃机器人自身运动方式的特殊性，跳跃机器人需要具有较好的抗冲击性，虽然该结构外部有球壳保护，可以减缓部分冲击力，但由于而该机器人内部许多部件之间依靠较为复杂的机构传动，因此在一定程度上限制了其运动状态的持续性。

（3）弹跳过程较为繁琐；机器人的弹跳能量来自电机对板簧的收缩，整个过程实施和实现较为复杂。

本发明主要对球壳可展开呈两轮态的球形机器人进行研究，在机械方面设计简单实用，便于分析和研究，在控制方面，实现了智能化、自动化，在很大程度上扩展了球形机器人的应用范围和适应领域。并可为以后各类别机器人的设计和研究提供一定的参考。

发明内容：

为了解决球形机器人运动方式及状态单一，运动能力弱、适应性和灵活性差的缺点，本发明提供了一种球壳可展开呈两轮态的多态球形跳跃机器人，该多态球形跳跃机器人具有结构简单，多运动态、适应能力强和可控性能好等优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

多态球形跳跃机器人，其特征在于：包括机械本体和控制系统两部分组成；

机械本体包括有两个气缸固定框架，每个气缸固定框架由一个固定框架外侧板11与一个固定框架内侧板12固定连接，双作用气缸9上部由锁紧扣10固定于固定框架内侧板12和固定框架外侧板11之间，锁紧扣10包括双作用气缸下部的锁紧扣以及双作用气缸上部的锁紧扣；气缸活塞杆的下部安装有气缸脚垫24；所述的两个气缸固定框架均有固定框架光轴穿过；且所述的气缸固定框架均与固定框架光轴14固连，两个固定框架内侧板12相对，两个固定框架外侧板11均位于外侧；

双作用气缸9顶端一侧的微型舵机8固定在固定框架外侧板11上，微型舵机8的输出端穿过固定框架外侧板上圆孔，并通过自带的舵机曲柄6与传动杆7活动连接，传动杆7的另一端接于气缸下部的锁紧扣10；双作用气缸9上部的锁紧扣10通过两端旋进的销钉将双作用气缸9锁紧，销钉两端分别插入固定框架内侧板12、固定框架外侧板11上的固定孔，使得双作用气缸的上部固定；双作用气缸9下部的锁紧扣10通过两端旋进的销钉将双作用气缸9锁紧，销钉的两端分别插入到固定框架内侧板12、固定框架外侧板11的下部的弧形凹槽，所述的销钉沿所述的弧形凹槽滑动，从而调整双作用气缸的起跳角度；

用于盛放气体的钢瓶22通过钢瓶固定扣21固定在固定框架一侧的固定框架光轴14上，调压阀23旋进钢瓶口，调压阀23的接口通过软管与电磁阀进气口相连接，电磁阀的出气口通过软管分别与双作用气缸9的进气口和出气口相连接；

在所述的两个气缸固定框架之间的光轴上安装有电机固定板15，电机固定板15上固定有微型电机16，微型电机16的输出端上套有小带轮17，小带轮17通过传动带与大带轮18进行传动，大带轮18与小带轮17水平位置相一致，大带轮18的中心位置固定有微型丝杆19，通过销钉穿过两侧的固定框架内侧板上圆孔并分别旋进所述的微型丝杠的两端，使整个丝杠两端分别固定在两侧的固定框架内侧板12上，并可在固定框架内侧板圆孔上自由转动；在所述的两个固定框架内侧板12之间分别连接有两个移动框架内侧板13，在所述的两个固定框架外侧板11的外侧设置有移动框架外侧板4，每一侧的移动框架内侧板13和移动框架外侧板4之间分别通过移动框架光轴5固定连接构成一个移动框架；所述的微型丝杠19旋进所述的两个移动框架内侧板13的中心孔，通过对丝杠旋转方向的控制使移动框架内侧板左右移动，进而带动两个移动框架向中心或者向两端运动；所述的移动框架光轴5的两端固定在所述的移动框架外侧板4和移动框架内侧板13上。

移动框架外侧板4的内侧安装有蜗轮蜗杆电机1，蜗轮蜗杆电机的输出端套有电机联轴器3并通过球壳连接器与半球形球壳相连接；其有益效果是硬件采用的各个部件所占空间少，同时所选电机可提供较大扭矩，可以完全满足机器人的运行要求。

钢瓶22内装有高压气体，设有微型调压阀23，电磁阀采用两位五通电磁阀，该电磁阀具有一个进气口和四个出气口，四个出气口分别控制两个气缸9的进气口和出气口，电磁阀控制气缸上部进气下部出气时，推动气缸活塞向下运动实现弹跳。

微型丝杠19与两个移动框架内侧板13连接的两端上的螺纹方向相反，移动框架内侧板中心孔内设计有螺纹并与微型丝杆上的螺纹相一致；微型电机16的运转带动小带轮17的转动，通过传动带的传动实现固定在微型丝杠上19的大带轮18的转动，移动框架内侧板13在丝杠的驱动下带动整个移动框架向中心或者向两端运动，实现两侧半球形球壳的展开和闭合控制；球壳展开时支撑整个机器人以两轮态运行，球壳完全闭合时呈圆球态，并能够完全包裹机器人内部机构；其有益效果是减少了不必要的传动机构，实现了控制的精简化，同时由于球壳的保护作用，提高了整个机构运行的稳定性和连续性。

半球形球壳采用轻质材料，其有益效果是使整体机构更加紧凑，减轻了整个机构的质量；机器人球壳外层为隔热耐磨材料，机器人投掷和运动过程中，球壳起到减振和防护的双重作用；球壳内部靠近外侧边缘装设有钢圈，其有益效果为提高整体的机械强度，从而保证了弹跳的持久性；机器人球壳的球形边缘套有橡胶环，其有益效果为既可以起到缓冲球体下落的冲击作用，同时又增大两轮态时运动的摩擦力，进而增大其爬坡能力。

所述控制系统包括上位机和下位机两部分；其中上位机包括电脑或手持遥控设备，实现机器人的运动控制、弹跳控制以及状态显示功能；为扩大机器人的应用范围上位机采用便于携带的手持遥控装置。

下位机包括主控制模块、球壳控制模块、运动控制模块、弹跳控制模块、数据采集模块、姿态检测模块和数据传输模块。

所述的机器人控制系统下位机的主控制模块包括基于ARM架构的微控制器以及对应的外围控制电路；所述的微控制器采用STM32控制器以及对应的外围扩展电路，其中STM32是以ARM Cortex-M3为内核的32位的微控制器；其有益效果是该微控制器具有高性能、低成本以及低功耗特点，加之丰富的外围扩展电路，使其能够完全满足机器人的各项要求。

球壳控制模块包括用于球壳展开/闭合状态控制的微型电机驱动电路及其对应的电压转换电路；运动控制模块包括蜗轮蜗杆减速电机驱动控制电路、电机测速光电码盘和外围电路；有益效果是使系统的控制较为简单、快速，所配备的电机测速光电码盘可以精确的测量电机运行的状况，以便使用上位机对其进行调整和控制。

弹跳控制模块包括电磁阀驱动电路及其配套连接的外围电路；通过主控制模块对驱动电路的控制，可以实现弱信号对于较强电压电路的控制，方便了对于机器人的整体控制。

数据采集模块包括超声波传感器、摄像头，及其对应的控制电路；通过所装备的超声波传感器的探测和高清摄像头的图像采集，可以实现对周边环境的勘探及测量，优化机器人弹跳的性能。

姿态检测模块包括三轴加速度传感器和陀螺仪及其对应的电路系统；主控制模块可通过对传感器所采集数据的分析和对微型电机的控制实现对机器人状态转换控制。

数据传输模块包括无线数据传输模块和Wi-Fi数据传输模块，当在机器人须远距离运行时，使用无线数据传输模块，在距离较近时则可使用Wi-Fi模块进行数据的发送与接收；其有益效果是采用不同数据传输策略，减少不必要能量的消耗，保障了机器人所需数据的准确度，实现了机器人整体性能的优化。

以上所有的硬件电路均安装于机器人自带的电控仓内；便于实现对机器人的集中控制和调试，同时使内部结构更加优化和有序，保障了机器人的整体性能。

上位机采用可互相切换的手动控制或自动控制，其中机器人自动控制运行实现步骤为：

a)球形机器人初始化时，在主控制模块的控制下由圆球态展开呈两轮态，并进行两轮运动；机器人通过自带的摄像头采集数据，并传输给上位机，实现对周边地形的勘测与侦查；

b)当机器人所装配的超声波传感器检测到障碍物时，传感器将检测的信号传输给主控制模块，主控制模块通过对反馈信号的分析确定机器人运动状态；

c)当需弹跳越过障碍物时，主控制模块通过调整控制气缸角度的微型舵机的转动来控制机器人的起跳角度，气缸在电磁阀的控制下实现机器人的起跳，同时通过设定机器人主控制模块的中断计数器的起止计数来调整气动电磁阀开关时间来控制机器人的弹跳高度；

d)当机器人整体处于空中时，主控制模块通过对三轴加速度传感器和陀螺仪的数据分析结合对微型电机状态的控制实现对机器人状态转换的控制；

e)当机器人呈圆球态落地时，机器人依靠自身结构的特点可实现滚动运动；当机器人维持原状落地时，机器人可通过调整球壳间距和球壳转动来调整机器人的姿态，实现平稳落地，机器人落地后可根据自身配重的特点实现运动状态稳定和自身姿态调整；

f)当机器人整体状态趋于稳定时，机器人又可在自身主控制模块的控制下实现状态恢复，继续环境的勘探和相关数据的采集。

本发明多态球形跳跃机器人在控制系统的控制下通过对球壳展开/闭合的控制可以实现三种运动状态，下面将分别对于各个状态进行详细描述：

展开呈两轮态：球形机器人左右两侧的球壳各展开为两个半球，使其整体的运动方式与两轮机器人类似。可实现：（1）通过两个半球相对于其轴心的滚动来实现机器人全方位运动和转向；（2）通过球壳的展开实现了将隐藏于两个半球之间的传感器(如摄像头、超声波传感器)显露出来，从而更好地完成空间探测任务；（3）通过对展开后的两轮态球型机器人整体质量的配重，可使其重心始终位于机器人的下部，增加了机器人运动的稳定性和静止时状态的自恢复性。

调整至弹跳态：弹跳态是该球形机器人的特色，机器人主要呈两轮态运动，当传感器检测到障碍物时，停止运动，通过机器人安装的气缸角度调节舵机，调节对应的弹跳角度，同时控制电磁阀的开关时间来调整机器人的弹跳高度，实现机器人的越障功能。当机器人呈弹跳态时可实现：（1）为机器人提供了一种新的运动方式，机器人在执行探测任务时，跨越较高的障碍；（2）提高机器人的适应性，在恶劣环境中，多运动态球形机器人可借助弹跳系统摆脱困境。

收缩呈圆球态：当机器人通过展开/闭合装置实现球壳完全闭合时，整个机器人处于球形状态时，弹跳机构完全收缩至球壳内部。可实现：（1）提高了机器人的整体适应性；球壳对机器人内部的机电控制系统起保护作用，并提高了整个系统的抗冲击性，同时当机器人处于下坡时可实现连续翻滚，减小能量消耗；（2）扩展了机器人的应用范围；由于球壳对于机器人的保护作用，机器人可通过低空投放、母车投掷以及机械抛掷等多种方式向探测区域布撒。

本发明整体的有益效果是：

该球形机器人在具有缓冲作用的球壳的保护下，通过对应的转换机构实现三种运动状态之间的切换，扩大了整体的活动范围和应用领域，在一定程度上提高了机器人的适应能力。

机器人外部半球形球壳通过对应的传动连接部件和运动态部件固定，其有益效果为便于机器人的装拆以及各个运动状态之间的切换。

当机器人呈两轮状态时，内部微型摄像头完全显露出来，可以实现对周边环境的勘察及测量。同时其转向时具有独特的优势，主控制模块通过控制两个轮子间的转速实现机器人的差速运转，比其他运动方式能更灵活地转向；

当机器人发生高空坠落等危险情况时，球形装置可迅速调整运行状态，进行连续工作；在探测过程中，当与障碍物或其他的运动机构发生碰撞时，该机器人的球形结构具有很强的自恢复能力。另外由于球体滚动的阻力相对滑动或轮式装置的运动阻力小很多，所以该机器人又具有运动效率高、能量损耗小的特点。

该机器人控制系统实现了对整个机器人控制的精简化，使其更具有实用价值。为以后该类型的机器人的研究与设计提供了一定的参考价值。

附图说明：

图1、多态球形跳跃机器人展开成两轮态是其结构示意图；

图2、多态球形跳跃机器人展开/闭合时其内部结构示意图；

图3、多态球形跳跃机器人整体结构框图；

图4、多态球形跳跃机器人弹跳实现流程图；

图5、多态球形跳跃机器人软件系统工作流程图；

图6、多态球形跳跃机器人各状态转化示意图；

图中，1-蜗轮蜗杆电机、2-球壳连接器、3-电机联轴器、4-移动框架外侧板、5-移动框架光轴、6-舵机曲柄、7-传动杆、8-微型舵机、9-双作用气缸、10-锁紧扣、11-固定框架外侧板、12-固定框架内侧板、13-移动框架内侧板、14-固定框架光轴、15-电机固定板、16-微型电机、17-小带轮、18-大带轮、19-微型丝杠、20-球壳、21-钢瓶固定扣、22-钢瓶、23-调压阀、24-气缸脚垫、25-固定平台、26-电控仓。

具体实施方式：

下面结合附图和实施方式对本发明做进一步说明。

如图1、2所示，多态球形跳跃机器人的机械本体包括有两个气缸固定框架，每个气缸固定框架由一个固定框架外侧板11与一个固定框架内侧板12固定连接，双作用气缸9上部由锁紧扣10固定于固定框架内侧板12和固定框架外侧板11之间，锁紧扣10包括双作用气缸下部的锁紧扣以及双作用气缸上部的锁紧扣；气缸活塞杆的下部安装有气缸脚垫24；所述的两个气缸固定框架均有固定框架光轴穿过；且所述的气缸固定框架均与固定框架光轴14固连，两个固定框架内侧板12相对，两个固定框架外侧板11均位于外侧；

双作用气缸9顶端一侧的微型舵机8固定在固定框架外侧板11上，微型舵机8的输出端穿过固定框架外侧板上圆孔，并通过自带的舵机曲柄6与传动杆7活动连接，传动杆7的另一端接于气缸下部的锁紧扣10；双作用气缸9上部的锁紧扣10通过两端旋进的销钉将双作用气缸9锁紧，销钉两端分别插入固定框架内侧板12、固定框架外侧板11上的固定孔，使得双作用气缸的上部固定；双作用气缸9下部的锁紧扣10通过两端旋进的销钉将双作用气缸9锁紧，销钉的两端分别插入到固定框架内侧板12、固定框架外侧板11的下部的弧形凹槽，所述的销钉沿所述的弧形凹槽滑动，从而调整双作用气缸的起跳角度；

用于盛放气体的钢瓶22通过钢瓶固定扣21固定在固定框架一侧的固定框架光轴14上，调压阀23旋进钢瓶口，调压阀23的接口通过软管与电磁阀进气口相连接，电磁阀的出气口通过软管分别与双作用气缸9的进气口和出气口相连接；

在所述的两个气缸固定框架之间的光轴上安装有电机固定板15，电机固定板15上固定有微型电机16，微型电机16的输出端上套有小带轮17，小带轮17通过传动带与大带轮18进行传动，大带轮18与小带轮17水平位置相一致，大带轮18的中心位置固定有微型丝杆19，通过销钉穿过两侧的固定框架内侧板上圆孔并分别旋进所述的微型丝杠的两端，使整个丝杠两端分别固定在两侧的固定框架内侧板12上，并可在固定框架内侧板圆孔上自由转动；在所述的两个固定框架内侧板12之间分别连接有两个移动框架内侧板13，在所述的两个固定框架外侧板11的外侧设置有移动框架外侧板4，每一侧的移动框架内侧板13和移动框架外侧板4之间分别通过移动框架光轴5固定连接构成一个移动框架；所述的微型丝杠19旋进所述的两个移动框架内侧板13的中心孔，通过对丝杠旋转方向的控制使移动框架内侧板左右移动，进而带动两个移动框架向中心或者向两端运动；所述的移动框架光轴5的两端固定在所述的移动框架外侧板4和移动框架内侧板13上；

移动框架外侧板4的内侧安装有蜗轮蜗杆电机1，蜗轮蜗杆电机的输出端套有电机联轴器3并通过球壳连接器与半球形球壳相连接；

钢瓶22内装有高压气体，设有微型调压阀23，电磁阀采用两位五通电磁阀，该电磁阀具有一个进气口和四个出气口，四个出气口分别控制两个气缸9的进气口和出气口，电磁阀控制气缸上部进气下部出气时，推动气缸活塞向下运动实现弹跳；

微型丝杠19与两个移动框架内侧板13连接的两端上的螺纹方向相反，移动框架内侧板中心孔内设计有螺纹并与微型丝杆上的螺纹相一致；微型电机16的运转带动小带轮17的转动，通过传动带的传动实现固定在微型丝杠上19的大带轮18的转动，移动框架内侧板13在丝杠的驱动下带动整个移动框架向中心或者向两端运动，实现两侧半球形球壳的展开和闭合控制；球壳展开时支撑整个机器人以两轮态运行，球壳完全闭合时呈圆球态，并能够完全包裹机器人内部机构；

如图2所示多态球形跳跃机器人的内部部件展开/闭合状态；当机器人内部部件完全展开时，机器人整体可呈两轮态运行；其展开过程为：微型电机16带动小带轮17转动，小带轮通过传动带作用于大带轮18，使微型丝杠19转动，移动框架内侧板13的中心孔设计有与丝杠相对应的螺纹，使移动框架可在丝杠的作用下可实现在固定框架上的运动，从而实现左右半球形球壳20的展开和闭合。当微型电机正转时展开机器人呈两轮态，微型电机反转时闭合机器人呈圆球态。机器人处于闭合状态时，机器人内部机械结构完全收缩状态，内部部件全部位于球形壳内部。球壳可使机器人相对于外界环境是封闭的，同时当机器人弹跳完毕，处于空中时，机器人靠收缩结构实现从弹跳态到圆球态的过渡，并在落地前实现完全收缩，球壳对机器人内部部件具有保护作用，以保障机器人落地后能够以圆球态连续滚动，并在球壳展开/闭合装置的控制下恢复成两轮态继续运行。

如图3所示，多态球形跳跃机器人控制系统包括：上位机和下位机两部分。其中上位机对应的电脑作为控制终端，实现运动控制，弹跳控制以及机器人姿态显示等功能。为扩大机器人的应用范围上位机采用便于携带的手持遥控装置。

下位机主要由主控制模块、球壳控制模块、运动控制模块、弹跳控制模块、数据采集模块、姿态采集模块和数据传输模块组成。其中主控制模块采用基于ARM架构的STM32控制器以及对应的外围控制电路，主控制芯片STM32是以ARM Cortex-M3为内核的32位的微控制器；球壳控制模块包括用于球壳展开/闭合状态控制的电机驱动电路及其各自对应的电压转换电路，该模块对应于机器人的硬件运动件部和球壳展开/闭合部件；运动控制模块包括蜗轮蜗杆减速电机驱动控制电路、电机测速光电码盘和外围电路；弹跳控制模块包括电磁阀驱动电路及其配套连接的外围电路，该模块对应于机器人的弹跳部件；数据采集模块包括：超声波传感器、摄像头，及其对应的控制电路；其有益效果是超声波传感器的探测和高清摄像头的图像采集，可以实现对周边环境的勘探及测量，超声波传感器对周边障碍物的检测，并将相应数据反馈给主控制模块，主控制模块根据所测数据的具体情况分析可实现机器人状态的调整，优化机器人弹跳的性能；下位机的姿态检测模块采用三轴加速度传感器和三轴陀螺仪，分别测量并采集机器人的加速度和机器人的空中姿态变化，并可根据采集的数据控制机器人的空中姿态；数据传输模块包括无线数据传输模块和Wi-Fi数据传输模块，当在机器人须远距离运行时，使用无线数据传输模块，在距离较近时则可使用Wi-Fi模块进行数据的发送与接收。其中无线数据传输芯片采用TR24B作为无线收发芯片，无线通讯工作在2.4GHz频段上，最大传输距离为100米。符合该控制要求，实现了机器人采集数据的远程传输，同时减少了能量的消耗，保障了机器人所需数据的准确度，实现了机器人整体性能的优化。

如图4、5所示，多态球形跳跃机器人自动控制结合上位机的控制下实现弹跳的过程示意图；球形机器人在自动控制系统下，其初始状态时球壳在微型电机的控制下展开呈两轮态并运行，超声波传感器进行障碍物检测以确定是否弹跳；当机器人需要弹跳越障时，主控制模块通过对超声波传感器的数据分析并通过控制微型舵机的转动实现气缸起跳角度的调节，同时控制电磁阀的开关状态和开关时间来控制机器人的弹跳及其弹跳高度；当机器人位于空中时，姿态检测模块采用三轴加速度传感器和三轴陀螺仪，分别测量并采集机器人的加速度和机器人的空中姿态变化，并可根据采集的数据控制机器人的空中姿态；当测量到机器人的弹跳高度大于30cm时，机器人将可通过微型电机控制实现机器人两侧半球形球壳的完全闭合呈圆球态落地并滚动，当机器人所需弹跳高度小于30cm时，机器人则可保持两轮态不变，同时通过调整两侧半球形球壳的转动速度和轮间距的大小来实现机器人状态的微调，使其能够以较为平稳的姿态落地，在一定程度上保证了运动的持续性；机器人落地后可根据自身配重的特点实现运动状态稳定和自身姿态调整；当机器人运行状态稳定后，圆球态机器人又可依靠球壳展开部件由圆球态恢复成两轮态，最终机器人将以两轮态继续执行勘探及侦察任务。以上步骤实现各个状态之间的互相转换，保证了机器人运动的持续性。

如图6所示，多态球形跳跃机器人可在上位机和自身主控制模块的控制下实现圆球态、两轮态和弹跳态之间状态的转化。其中初始时机器人呈圆球态，在球壳展开部件控制下可展开呈两轮态；当机器人需要越障时，机器人又可通过对微型舵机和电磁阀的控制实现机器人不同角度和高度的弹跳，使机器人由两轮态转换为弹跳态；当机器人位于空中时，机器人通过球壳闭合部件使机器人收缩成圆球态，并可以圆球态滚动，实现由弹跳态到圆球态之间的转换；当机器人以圆球态落地并平稳后，机器人依靠球壳展开部件又可实现由圆球态到两轮态之间的转换。机器人不同状态之间的转换提高了机器人整体的适应性和运动的高效性。

Claims (3)

1.多态球形跳跃机器人，其特征在于：包括机械本体和控制系统两部分组成；

机械本体包括有两个气缸固定框架，每个气缸固定框架由一个固定框架外侧板（11）与一个固定框架内侧板（12）固定连接，双作用气缸（9）上部由锁紧扣（10）固定于固定框架内侧板（12）和固定框架外侧板（11）之间，锁紧扣（10）包括双作用气缸下部的锁紧扣以及双作用气缸上部的锁紧扣；气缸活塞杆的下部安装有气缸脚垫（24）；所述的两个气缸固定框架均有固定框架光轴穿过；且所述的气缸固定框架均与固定框架光轴（14）固连，两个固定框架内侧板（12）相对，两个固定框架外侧板（11）均位于外侧；

双作用气缸（9）顶端一侧的微型舵机（8）固定在固定框架外侧板（11）上，微型舵机（8）的输出端穿过固定框架外侧板上圆孔，并通过自带的舵机曲柄（6）与传动杆（7）活动连接，传动杆（7）的另一端接于气缸下部的锁紧扣（10）；双作用气缸（9）上部的锁紧扣（10）通过两端旋进的销钉将双作用气缸（9）锁紧，销钉两端分别插入固定框架内侧板（12）、固定框架外侧板（11）上的固定孔，使得双作用气缸的上部固定；双作用气缸（9）下部的锁紧扣（10）通过两端旋进的销钉将双作用气缸（9）锁紧，销钉的两端分别插入到固定框架内侧板（12）、固定框架外侧板（11）的下部的弧形凹槽，所述的销钉沿所述的弧形凹槽滑动，从而调整双作用气缸的起跳角度；

用于盛放气体的钢瓶（22）通过钢瓶固定扣（21）固定在固定框架一侧的固定框架光轴（14）上，调压阀（23）旋进钢瓶口，调压阀（23）的接口通过软管与电磁阀进气口相连接，电磁阀的出气口通过软管分别与双作用气缸（9）的进气口和出气口相连接；

在所述的两个气缸固定框架之间的光轴上安装有电机固定板（15），电机固定板（15）上固定有微型电机（16），微型电机（16）的输出端上套有小带轮（17），小带轮（17）通过传动带与大带轮（18）进行传动，大带轮（18）与小带轮（17）水平位置相一致，大带轮（18）的中心位置固定有微型丝杆（19），通过销钉穿过两侧的固定框架内侧板上圆孔并分别旋进所述的微型丝杠的两端，使整个丝杠两端分别固定在两侧的固定框架内侧板（12）上，并在固定框架内侧板圆孔上自由转动；在所述的两个固定框架内侧板（12）之间分别连接有两个移动框架内侧板（13），在所述的两个固定框架外侧板（11）的外侧设置有移动框架外侧板（4），每一侧的移动框架内侧板（13）和移动框架外侧板（4）之间分别通过移动框架光轴（5）固定连接构成一个移动框架；所述的微型丝杠（19）旋进所述的两个移动框架内侧板（13）的中心孔，通过对丝杠旋转方向的控制使移动框架内侧板左右移动，进而带动两个移动框架向中心或者向两端运动；所述的移动框架光轴（5）的两端固定在所述的移动框架外侧板（4）和移动框架内侧板（13）上；

移动框架外侧板（4）的内侧安装有蜗轮蜗杆电机（1），蜗轮蜗杆电机的输出端套有电机联轴器（3）并通过球壳连接器与半球形球壳相连接；

钢瓶（22）内装有高压气体，设有微型调压阀（23），电磁阀采用两位五通电磁阀，该电磁阀具有一个进气口和四个出气口，四个出气口分别控制两个气缸（9）的进气口和出气口，电磁阀控制气缸上部进气下部出气时，推动气缸活塞向下运动实现弹跳；

微型丝杠（19）与两个移动框架内侧板（13）连接的两端上的螺纹方向相反，移动框架内侧板中心孔内设计有螺纹并与微型丝杆上的螺纹相一致；微型电机（16）的运转带动小带轮（17）的转动，通过传动带的传动实现固定在微型丝杠上（19）的大带轮（18）的转动，移动框架内侧板（13）在丝杠的驱动下带动整个移动框架向中心或者向两端运动，实现两侧半球形球壳的展开和闭合控制；球壳展开时支撑整个机器人以两轮态运行，球壳完全闭合时呈圆球态，并能够完全包裹机器人内部机构；

所述控制系统包括上位机和下位机两部分；其中上位机包括电脑或手持遥控设备，实现机器人的运动控制、弹跳控制以及状态显示功能；下位机包括主控制模块、球壳控制模块、运动控制模块、弹跳控制模块、数据采集模块、姿态检测模块和数据传输模块。

2.根据权利要求1所述的多态球形跳跃机器人，其特征在于，所述的机器人控制系统下位机的主控制模块包括基于ARM架构的微控制器以及对应的外围控制电路；球壳控制模块包括用于球壳展开/闭合状态控制的微型电机驱动电路及其对应的电压转换电路；运动控制模块包括蜗轮蜗杆减速电机驱动控制电路、电机测速光电码盘和外围电路；弹跳控制模块包括电磁阀驱动电路及其配套连接的外围电路；数据采集模块包括：超声波传感器、摄像头，及其对应的控制电路；姿态检测模块包括：三轴加速度传感器和陀螺仪及其对应的电路系统；数据传输模块包括无线数据传输模块和Wi-Fi数据传输模块，当在机器人须远距离运行时，使用无线数据传输模块，在距离较近时则使用Wi-Fi模块进行数据的发送与接收；以上所有的硬件电路均安装于机器人自带的电控仓内。

3.根据权利要求2所述的多态球形跳跃机器人，其特征在于，上位机采用互相切换的手动控制或自动控制，其中机器人自动控制运行实现步骤为：

a)球形机器人初始化时，在主控制模块的控制下由圆球态展开呈两轮态，并进行两轮运动；机器人通过自带的摄像头采集数据，并传输给上位机，实现对周边地形的勘测与侦查；

b)当机器人所装配的超声波传感器检测到障碍物时，传感器将检测的信号传输给主控制模块，主控制模块通过对反馈信号的分析确定机器人运动状态；

c)当需弹跳越过障碍物时，主控制模块通过调整控制气缸角度的微型舵机的转动来控制机器人的起跳角度，气缸在电磁阀的控制下实现机器人的起跳，同时通过设定机器人主控制模块的中断计数器的起止计数来调整气动电磁阀开关时间来控制机器人的弹跳高度；

d)当机器人整体处于空中时，主控制模块通过对三轴加速度传感器和陀螺仪的数据分析结合对微型电机状态的控制实现对机器人状态转换的控制；

e)机器人呈圆球态落地时，机器人依靠自身结构的特点实现滚动运动；当机器人维持原状落地时，机器人通过调整球壳间距和球壳转动来调整机器人的姿态，实现平稳落地，机器人落地后根据自身配重的特点实现运动状态稳定和自身姿态调整；

f)当机器人整体状态趋于稳定时，机器人又在自身主控制模块的控制下实现状态恢复，继续环境的勘探和相关数据的采集。

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