CN104002886A - 一种可变形球形探测机器人 - Google Patents

Abstract

一种可变形球形探测机器人，有较强的越障能力，包括球壳、轮爪、变形机构、驱动机构、动静连接机构、中央平台和尾轮组件。该球形机器人有两种状态，初始状态为球形，该状态下其轮爪收拢，内部机构、尾轮组件都包络在球壳内部，便于存储、携带和运输；变形时，两个电机反向差速运动，并在内部弹簧力的共同作用下，带动球壳打开，轮爪展开，尾轮弹出，内部携带的摄像头可拍摄环境图像并实时无线发送至远距离接收端。轮爪展开后轮流接触地面带动机器人运动。左、右半球壳分别由两个电机驱动。两个电机同速同向转动，机器人可实现前进或后退运动。两个电机差速运动，可实现转向运动。变形球形机器人可在恶劣地形中灵活运动，执行探测任务。

Description

一种可变形球形探测机器人

技术领域

本发明涉及一种可用于野外环境的可变形球形探测机器人。

背景技术

球形机器人或球形机构是指一类将运动执行机构、传感器、控制器安装在球形壳体内的系统的总称。与传统的轮式、履带式移动机器人相比，球形机器人不仅能够实现全向运动，并在受到撞击、跌落等情况失稳时能迅速恢复稳定状态。

球形机器人外壳能够保护内部搭载的设备，使得其在野外环境勘察、外星球探索、灾后搜救以及军事侦察中具有广泛的应用前景。

A.Halme，T.Schonberg and Y.Wang，Motion Control of a Spherical MobileRobot，4th IEEE International Workshop on Advanced Motion Control AMC’96，MieUniversity，Japan1996介绍了芬兰的Aarne Halme设计的一种球形机器人并申请了专利，该球形机器人采用了一个在球壳内滚动的轮来驱动整个球形机器人的运动。Nghia X.Tran，San Diego研制了一种利用液体在球形内部流动而改变机器人重心的球形机器人，并申请了发明专利(美国发明专利申请号US008316970B1)。Mattias Seeman，MathiasBroxvall，Peter Wide.An Autonomous Spherical Robot for Security Tasks.IEEEInternational Conference on Computational Intelligence for Homeland Security andPersonal Safety，October2006.51-55.介绍了瑞典Rotundus公司出品的一款巡逻球形机器人，该球形机器人采用重心偏移原理实现直线运动和转向，直径为600mm，可在平坦地面、雪地、沙地等宽阔的场地执行巡逻任务。

上述发明或者设计的球形机器人存在的问题是，大多数越障能力有限，不能应用于草地、沙漠等野外环境；少数越障能力较好的，要么结构复杂，成本较高，要么体积庞大，不利于复杂环境探测。

发明内容

本发明的目的是：设计一种可变形球形探测机器人，有较高的越障性能，该球形机器人能够适应野外凹凸不平的地面、草地、沙地、斜坡面、垂直障碍等地形，且结构简单，易于控制。

本发明的技术解决方案是：一种可变形球形探测机器人，包括球壳、轮爪、变形机构、动静连接机构、驱动机构、中央平台、尾轮机构，其特征在于：球壳由左半球壳与右半球壳组成，两球壳能够相对运动实现球壳打开闭合，同时带动轮爪张开、闭合。两球壳闭合时，将中央平台、尾轮组件、内部驱动变形组件包容在球壳内。变形时，球壳打开，轮爪在变形机构带动下张开，尾轮摆脱球壳限制弹出。变形后，球形机器人通过转动球壳带动轮爪接触地面运动。

在左半球壳的端部，有N(N≥6)个轮爪与其铰接，轮爪、球壳与机器人内部的曲柄共同组成曲柄滑块机构，轮爪可在该机构的作用下，随着球壳向外运动而张开。轮爪为小角度的扇形长条，上下表面呈圆弧状，下表面的半径与球壳外表面相同。轮爪底端与球壳大端部铰接安装，保证球壳闭合时，轮爪与球壳外表面相切。球壳打开时，轮爪以铰接点为轴旋转打开并定位。轮爪相对于球形机器人横向轴心线呈放射状均匀分布，任意两个轮爪间角度为360/N度。右半球壳轮爪结构同左半球壳，左半球壳与右半球壳上的轮爪呈对称分布。

变形机构组件由机架、曲柄、轮爪、球壳、螺塞五部分组成，其中螺塞是变形机构中的限位件，前四者组成了曲柄滑块变形机构，其中轮爪为该机构中的连杆，分别与球壳端部、曲柄端部铰接连接。球壳为该机构中的滑块，沿水平方向滑动。该曲柄滑块机构的动力由内部弹簧提供，球壳在内部弹簧力作用下向外侧滑动，从而带动轮爪作伸展运动张开。

螺塞在该可变形球形探测机器人中起限位作用。在可变形球形探测机器人中心轴的左端有左旋螺纹，与左旋螺塞配合，中心轴的右端有右旋螺纹，与右旋螺塞配合。闭合机器人时，将左右两侧的螺塞旋入，螺塞的圆形边缘锁住球壳和轮爪，从而限制了可变形球形探测机器人的打开。

动静联接机构由多边形空心轴、机器人横向中心轴、限位块组成，并且左右对称。多边形空心轴由多个轴段组成，圆轴段与安装基座的内孔配合，多边形轴段与大带轮内孔配合，中间空心孔部分与可变形球形探测机器人的中心轴配合。该空心轴可带动球壳组件绕中心轴转动，并可沿中心轴做轴向滑动。中心轴两侧端部的轴段可以设置空心轴向外滑动的极限位置。

内部驱动机构分为左半球驱动机构和右半球驱动机构。左半球驱动机构由一个直流电机、传动部分、多边形空心轴、左半球壳组成。多边形空心轴与左半球壳固连，与大带轮以多边形内孔形式配合，多边形空心轴、球壳沿横向中心线安装。右半球壳驱动机构与左半部分相同且对称。

中央平台机构由基座、中心轴组件、电池安装座、控制盒组成。中心轴组件包括中心轴、轴套、连接件，三者固连并与两侧的左、右安装基座连接。左、右基座为有一定强度的金属板，安装位置左右对称，并为电机、电池安装座、控制盒提供安装基准。控制盒包含控制板、摄像头，并可根据执行任务的不同，扩展各种音视频设备、传感器等。

尾轮组件由尾轮、轮缘、尾杆、弹簧、柱塞、安装座等组成。尾轮安装在球形机器人纵向中心平面上，轮缘宽度小于机器人中间打开宽度。尾杆一端通过轴承衬套与安装座连接，另一端通过螺纹与轮缘连接，可以通过调节螺纹拧入的深度调节外部尾杆的长短。尾杆与安装座之间是轴承连接，在两者之间安装有扭簧。球壳闭合时，通过压缩扭簧将尾轮组件压入球壳内部，球壳打开时，尾轮组件摆脱球壳的限制并在弹簧力作用下打开，通过定位柱定位。

本发明与现有技术相比的有益效果：

(1)该可变形球形探测机器人在变形前为球形，方便携带、运输、抛掷，在抛掷后不会“翻车”。

(2)该可变形球形探测机器人在运动时，爪子展开，扩大了自身的运动半径，并且轮爪式结构增大了与地面的附着力，非常适合于野外恶劣的地形，大幅度提高了可变形球形探测机器人的运动越障性能。

(3)该可变形球形探测机器人运动时左边电机单独驱动左边轮爪组件，右边电机单独驱动右边轮爪组件，避免了球形机器人自身存在的欠驱动系统问题，且控制简单。

(4)该球形机器人变形过程能够自动完成，无需手动参与。并且变形过程、运动过程过渡简单，只需两个电机，结构简单，成本低。

(5)该可变形球形探测机器人尾杆的结构设计可扩展为可折叠的结构，进一步加长尾杆，进一步提升该可变形球形探测机器人越过台阶等垂直障碍的能力。

附图说明

图1为本发明的一个实施例变形过程示意图。

图2为本发明的一个实施例拆掉右侧球壳后的结构示意图。

图3为本发明的一个实施例中央平台与尾轮组件结构示意图。

图4为本发明的一个实施例右后方结构示意图。

图中：1a.左半球壳 1b.右半球壳 2a.左轮爪 2b.右轮爪 3a.左球壳外延 3b.右球壳外延 4.控制盒组件 5.尾轮组件 6a.左侧螺塞(同6b但左右对称放置) 6b.右侧螺塞 7a.左侧曲柄(同7b但左右对称放置) 7b.右侧曲柄 8a.左侧支杆(同8b但左右对称放置) 8b.右侧支杆 9a.左侧空心轴(同9b但左右对称放置) 9b.右侧空心轴 10a.左侧弹簧(同10b但左右对称放置) 10b.右侧弹簧 11a.左侧支杆座(同11b但左右对称放置) 11b.右侧支杆座 12a.左轮爪定位柱 12b.右轮爪定位柱 13a.左侧驱动电机 13b.右侧驱动电机 14a.左侧小带轮 14b.右侧小带轮 15a.左侧传动皮带 15b.右侧传动皮带 16a.左侧大带轮 16b.右侧大带轮 17a.左侧安装板 17b.右侧安装板 18.电池安装座 19.电池 20.尾轮定位柱 21.中间连接件22.轴套 23.中心轴 24a.左轮爪扭簧 24b.右轮爪扭簧 25.尾杆 26.尾轮缘 27.尾轮 28a.定位柱

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

如图1、图2、图3所示，本发明的一个实施例为：一种可变形球形探测机器人，包括球壳、轮爪、变形机构、动静连接机构、驱动机构、中央平台、尾轮组件。

(一)球壳

球壳由左半球壳和右半球壳两部分组成，其中左半球壳包括左半球壳1a和左球壳外延3a，两者通过螺钉固定连接。右半球壳包括右球壳1b和右球壳外延3b，两者通过螺钉固定连接。如图1所示，闭合时，球壳将内部机构组件和连接件包容在球壳内部，形成保护。变形时，球壳作为曲柄滑块变形机构中的一个构件开合。运动时，球壳将旋转运动传递给轮爪，实现机器人的运动。

(二)轮爪

轮爪2a、2b为上下表面为同心圆，下表面的圆弧半径与球壳1a、1b的外表面半径相同，纵向为小角度的扇形面。轮爪2a的底端有衬套孔，通过轴与球壳的一端铰接。N个轮爪2a相对于球壳1a横向中心线呈放射性分布，间隔为360/N度。

同[0028]，N个轮爪2b安装在右半球壳1b端。

变形球形机器人在闭合时，轮爪都扣合到球壳表面，使得机器人体积小，方便携带。变形后，轮爪以球壳大半径端的边沿轴承孔为轴心展开，扩大了机器人本身的直径，在运动时球壳带动轮爪，轮爪轮流接触地面实现前进、后退、转向等运动。

(三)变形机构组件

变形球形机器人的变形机构组件由支座11a、11b，曲柄7a、7b，轮爪2a、2b，球壳1a、1b四部分组成的曲柄滑块机构和左右限位螺塞6a、6b组成。

如图2所示，在上述的曲柄滑块运动机构中，曲柄为7a、7b，连杆为轮爪2a、2b，球壳1a、1b代表滑块。以图2中所示的机器人左侧的变形机构为例，每半边球壳中存在N个变形机构原理、组件都相同，运动也是同时的。在内部弹簧10a和轮爪处扭簧24a的推动下，球壳、空心轴向左侧运动，同时带动轮爪2a、曲柄7a旋转一定的角度，到达位置后定位柱28a定位空心轴9a，定位柱24a定位轮爪，右侧机构运动机理与左侧一致。

螺塞6a、6b在可变形球形探测机器人的设计中起限位的作用。当球形机器人球壳闭合时，在弹簧10a、10b、24a、24b的作用下，球壳、轮爪有打开的运动趋势，将螺塞分别拧入中心轴23的两端，螺塞的圆形边缘抵住轮爪的一端，并在螺纹的压力下压住球壳2a、2b，从而限制机器人的打开。在变形的初始阶段，轮爪、球壳被螺塞限位，这时两个电机13a、13b反转，带动球壳、轮爪、螺塞转动相对中心轴转动，并在内部弹簧、轮爪扭簧提供的螺纹纵向力的作用下旋开螺塞。

(四)动、静连接部分

动静连接部分由多边形空心轴9a、9b和机器人中心轴23组成，并且左右两侧对称。多边形空心轴由多个轴段组成，圆轴段与安装基座的内孔配合，多边形轴段与大带轮内孔配合，中间空心孔部分与球形机器人的中心轴配合。该空心轴可带动球壳组件绕中心轴做周向转动，并可沿中心轴做轴向滑动。中心轴两端处的轴径大于空心轴的直径，可以设置球壳打开时的极限位置，保证球壳组件不会无限制的向两侧运动。

(五)内部驱动机构部分

内部驱动部分分为两种实施方案。第一种实施方案如图3所示，由电机13a、13b，带轮传动(14a、14b、15a、15b、16a、16b)，空心轴9a、9b，球壳1a、1b组成。电机通过传动部分驱动空心轴，空心轴与球壳的顶端固连，从而带动球壳转动。第二种实施方案由空心轴电机、空心轴、球壳组成，空心轴电机与空心轴以多边形孔形式配合，驱动空心轴从而带动球壳运动。

(六)中央平台部分

如图3所示，中央平台机构组件由安装板17a、17b，中心轴23，轴套22，中间连接件21，电池安装座18，控制盒组件4，组成。控制盒组件包含控制板、摄像头，并可根据执行任务的不同，扩展各种音视频设备、传感器等。

(七)尾轮机构组件由尾轮27，轮缘26，尾杆25等组成。尾杆一端与轮缘的连接采用螺纹加锁紧的方式，螺纹拧入深度可调。尾杆与中央平台之间采用铰接方式，两者之间安装扭簧。球壳闭合时，通过压缩扭簧将尾轮组件压入球壳内部，球壳打开时，尾轮组件摆脱了球壳的限制在弹簧作用下打开，通过定位柱20定位。

Claims (5)

1.一种可变形球形探测机器人，其特征在于：包括球壳、轮爪、变形机构、动静连接机构、驱动机构、中央平台、尾轮组件，球壳由左半球壳与右半球壳组成，两球壳能够相对向外侧滑动或相向向内侧滑动，并带动轮爪张开、闭合。两球壳闭合时，将中央平台、尾轮组件、内部驱动变形组件包络在球壳内。变形时，球壳打开，轮爪在变形机构带动下伸展，尾轮弹出。变形后，球形机器人通过转动球壳带动轮爪接触地面运动。

在左半球壳的端部，有N(N≥6)个轮爪与其铰接，轮爪可在变形机构的作用下，随着球壳向外运动而打开，随其向内运动而闭合。机器人运动时，轮爪轮流接触地面。这些轮爪相对于球形机器人横向轴心线呈放射状均匀分布，任意两个轮爪间夹角为360/N度，轮爪上下表面呈圆弧状，下表面的半径与球壳外表面相同。右半球壳轮爪安装同左半球壳轮爪相同，左、右半球壳上的轮爪呈对称分布。

变形机构组件由机架、曲柄、轮爪、球壳、螺塞五部分组成，前四者组成了曲柄滑块变形机构，打开时，球壳在内部弹簧的压力的作用下向外侧运动，从而带动轮爪展开。；闭合机器人时，将左右两侧的螺塞旋入，螺塞的圆形边缘抵锁住球壳和轮爪，从而限制了球形机器人的打开。

动静联接机构由多边形空心轴、机器人横向中心轴组成，并且左右对称。

内部驱动机构分为左半球驱动机构和右半球驱动机构。左半球驱动机构由一个直流电机、传动部分、多边形空心轴、左半球壳组成。多边形空心轴与左半球壳固连，并与大带轮以多边形内孔形式配合。右半球壳驱动机构与左边相同且对称。

中央平台机构由基座、中心轴组件、电池安装座、控制盒组成。控制盒包含控制板、摄像头，并可根据执行任务的不同，扩展各种音视频设备、传感器等。

尾轮机构由尾轮、轮缘、尾杆、弹簧、柱塞、安装座等组成。球壳闭合时，通过压缩扭簧将尾轮机构压入球壳内部，球壳打开时，尾轮机构摆脱了球壳的限制在弹簧力作用下打开，通过定位柱定位。

2.根据权利要求1所述的一种可变形球形探测机器人，其特征在于：螺塞在球壳闭合时安装在球形机器人两端，限制球壳、轮爪的运动，螺塞左右两侧分别为左旋、右旋螺纹。

3.根据权利要求1所述的一种可变形球形探测机器人，其特征在于：动静联接机构采用多边形轴孔配合的方式，多变形孔件可在轴向上沿轴自由滑动。而多边形轴为空心轴，与中心轴为圆形轴孔配合，空心轴可在轴向上沿中心轴方向自由滑动，并可绕中心轴自由转动，中心轴轴端可设定空心轴向外滑动的极限位置。

4.根据权利要求1所述的一种可变形球形探测机器人，其特征在于：内部驱动机构分为两种实施实例，电机可以通过传动机构减速后驱动多边形轴，也可以采用空心轴电机直接驱动多边形轴。

5.根据权利要求1所述的一种可变形球形探测机器人，其特征在于：尾杆与轮缘采用螺纹连接，可以通过控制螺纹旋入的深度调节尾轮组件的长短。球壳闭合时，尾杆可以收到球壳内部，尾轮组件的尾杆长度亦可调节。