CN107284543A - 一种复合运动机械球 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合运动机械球，它由上半球、下半球和控制机构组成；上半球和下半球上下对称；上、下半球内均设置有六个爪臂以及用于固定爪臂的支撑板；上、下半球的壳体均沿圆心处张开呈六瓣形；爪臂从上向下依次分为第三关节、第二关节、第一关节；各关节上均对应安装有舵机，通过舵机为爪臂提供运动自由度，使每个爪臂实现独立收拢或外张；控制机构由控制主板、降压芯片和电源装置以及无线信号接收器组成。本发明具备爬行和滚动两种运动方式，且两种运动方式可自由切换不会出现机构倾翻等问题；滚动式移动方式运动速度快，爬行移动方式越障能力强，对恶劣地形的适应能力强；体积小、重量轻、结构及运行稳定、节省能耗、方便运输。
Description
技术领域
本发明涉及一种机械球，尤其涉及一种复合运动机械球，属于机器人技术领域。
背景技术
移动机器人根据移动机构的不同可分为轮式、腿足式、履带式及复合式。轮式结构机器人如美国的“勇气号”火星车、MobileRobots Inc开发的全方位轮式清扫机器人Seekur、我国著名的“玉兔号”月球车等，轮式移动机器人能够在良好路面上迅速、平稳的运动，但在越障能力上略显不足，难以穿越沟壑或台阶等恶劣地形。
腿式结构机器人如日本东京工业大学TITAN机器人系列第八代TITAN-Ⅷ、华中科技大学自主研发的“4+2”足式步行机器人等，腿足式机器人的越障能力好，但行进速度低缓，效率低下，结构不紧凑。
履带式结构机器人适应地形能力强，如美国军用地面移动机器人“魔爪”及其升级版“剑”、我国自行生产的“灵蜥一B”型排爆机器人等。虽然履带式移动机器人的地形适应能力优于轮式和腿式，但也同时存在着重量大、能耗大的缺陷，不利于大范围的推广应用。
复合式机构机器人可以弥补单一行走机构的部分弱点，但也无可避免的会遭遇倾翻、机构裸露等问题。因此，开发以滚动方式行走的球形或类球形的新型机器人，已成为目前移动机器人研究领域的热点问题之一。现有球形机器人较成熟的驱动方式的主要有两种，一种是驱动单元直接驱动球壳产生摩擦力让球体滚动，另一种是通过改变球体重心位置让球体滚动，但无论是哪种驱动方式的机器人，它们在外形上几乎都是采用整体的球形或类球形外壳，而且运动方式较为单一，从而在一定程度上限制了复合式机器人的发展。
发明内容
为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种复合运动机械球。
为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种复合运动机械球，由上半球、下半球和控制机构组成；上半球和下半球上下对称；上半球包括半球型的上壳体以及设置于上壳体内部的爪臂；上壳体沿圆心处张开均分为六瓣；爪臂为六个，六个爪臂的上部均通过角件与六瓣上壳体一一固定；通过各爪臂之间的协调运动完成机械球在爬行或滚动状态下的切换；
爪臂从上向下依次分为第三关节、第二关节、第一关节；第三关节、第二关节、第一关节上分别对应安装有三号舵机、二号舵机、一号舵机，三个舵机用于为爪臂提供三个自由度，使每个爪臂实现独立收拢或外张；
爪臂的下端分别通过一号舵机与支撑板的六个边角相铰接；支撑板由上支撑板和中间支撑板组成，一号舵机通过螺钉紧固设置于上支撑板和中间支撑板之间；上半球和下半球的中间支撑板通过螺栓紧固相接，组装后的机械球整体上为球型；
控制机构由控制主板、降压芯片和电源装置以及无线信号接收器组成；电源装置用于为各设备提供工作电能；控制主板通过降压芯片的降压输出之后控制各舵机的运行状态，从而带动各爪臂实现不同的动作，以完成机器人的行走或滚动；
无线信号接收器通过数据线与控制主板相连接，用于在接收到无线遥控模块发出的指令之后，通过控制主板控制舵机运行，从而完成相应动作。
控制主板和降压芯片均固定设置于上半球和下半球的中间支撑板之间。
电源装置以及无线信号接收器均固定设置于上半球或下半球的上支撑板和中间支撑板之间。
本发明具备爬行和滚动两种运动方式，且两种运动方式可自由切换不会出现机构倾翻等问题；滚动式移动方式运动速度快，爬行移动方式越障能力强，对恶劣地形的适应能力较强；体积小、重量轻、结构及运行稳定、节省能耗、方便运输，适合于广泛的推广应用。
附图说明
图1为本发明的纵截面结构示意图。
图2为本发明的横截面结构示意图。
图3为本发明的整体内部结构示意图。
图4为图3的剖面结构示意图。
图5为爪臂的整体结构示意图。
图6为支撑板的整体结构示意图。
图7为本发明的外部形态示意图。
图8为本发明的电路控制原理图。
图中：1、上壳体；2、爪臂；3、上支撑板；4、中间支撑板；5、角件；6、第三关节；7、第二关节；8、第一关节；9、一号舵机；10、二号舵机；11、三号舵机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1～8所示，本发明由上半球、下半球和控制机构组成；上半球和下半球上下对称；上半球包括半球型的上壳体1以及设置于上壳体1内部的爪臂2；上壳体1沿圆心处张开均分为六瓣；爪臂2为六个，六个爪臂2的上部均通过角件5与六瓣上壳体一一固定；由于上、下半球对称，机械球的外壳整体上分为12瓣，爪臂共有12个；机械球在展开后为花瓣形、收拢后为球型，通过上下各爪臂之间的协调运动可以完成机械球在爬行或滚动状态下的切换。
爪臂2从上向下依次分为第三关节6、第二关节7、第一关节8；第三关节6、第二关节7、第一关节8上分别对应安装有三号舵机11、二号舵机10、一号舵机9，三个舵机用于为爪臂2提供三个自由度，使每个爪臂2实现独立收拢或外张；12个爪臂2总共对应36个舵机。
爪臂2的下端分别通过一号舵机9与支撑板的六个边角相铰接，支撑板为近六边形；上半球的支撑板由上支撑板3和中间支撑板4组成，一号舵机9通过螺钉紧固设置于上支撑板3和中间支撑板4之间；机械球整体上共有四块支撑板，两块中间支撑板通过多个螺栓紧固相接，组装后的机械球整体上为球型。
控制机构由控制主板、降压芯片和电源装置以及无线信号接收器组成；电源装置用于为各设备提供工作电能；控制主板通过降压芯片的降压输出之后控制各舵机的运行状态，从而带动各爪臂实现不同的动作，以完成机器人的行走或滚动；
无线信号接收器的输出端通过数据线与控制主板相连接，输入端通过无线信号与无线遥控模块相连接；无线遥控模块的信号发射器发出指令后，无线信号接收器将接收到的指令通过控制主板传递给舵机，从而完成各爪臂的相应动作。
其中，控制主板和降压芯片均安装在上半球和下半球的中间支撑板之间，固定在其中一块中间支撑板上。电源装置以及无线信号接收器由于体积较大，均安装在上半球或下半球的上支撑板3和中间支撑板4之间，固定在中间支撑板上。
本发明的具体工作原理如下：
1)爬行状态
控制上半球和下半球分别展开呈花瓣形，任意选择一半球体令其6个爪臂着陆，支撑起另一半球体，如图3所示状态。行走时，为保证行走稳定性，采取三角步态法，控制每个的爪臂的二号舵机、三号舵机，令爪臂分别绕着第二关节、第三关节动作，使互相间隔的三个爪臂着地，另三个爪臂抬起，循环交替，如：将着陆一侧的6个爪臂依次分别命名为一号爪臂、二号爪臂、三号爪臂、四号爪臂、五号爪臂、六号爪臂，则使一、三、五号爪臂着陆，并使二、四、六号爪臂抬起；然后二、四、六号爪臂着陆，一、三、五号爪臂抬起；反复循环，完成爬行前进。
2)爬行切换至滚动
关键点是如何让球体放倒：首先停止爬行，选择球体下半部分任意相邻的三个爪臂向内收拢来偏移重心，从而放倒球体。如：控制一、二、三号爪臂的三号舵机绕着各自的第三关节向球体中心方向收拢，四、五、六号爪臂保持支撑状态不变，导致机械球重心偏移，球体即可放倒，从爬行状态切换至滚动状态。
3)滚动状态
将球体放倒，使图3爬行动作中上半球和下半球的上下位置状态变成左右位置状态；将左右两半球体上位置一一对应的爪臂配对设定动作顺序、时间间隔和偏转角度，然后依次成对绕着第一关节偏转，借助爪臂的推动力和球体重心的偏移，实现球体整体顺利的滚动。
4)滚动切换至爬行
关键点是如何让球体直立：首先停止滚动，一半球体爪臂收缩，控制另一半球体爪臂外张，借助爪臂外张抵住地面的反力让球体立起来，效果为：爪臂收缩状态的那一半球体在下，爪臂被控制外张的那一半球体在上。如：控制左半球体各爪臂的二号舵机、三号舵机分别绕着各自的第二关节、第三关节向外扩张，当爪臂抵住地面时，球体能借助到地面给予的反作用力使右半球体着地直立起来，变成左半球体在上，右半球体在下的状态。然后按照爬行状态下的运动步骤完成爬行前进。
本发明与传统的现有技术相比，具有以下优势：
1)结构上仿生的花瓣形结构，不同于传统的整球体结构，具备爬行和滚动两种运动方式，运动方式在切换时不会出现机构倾翻等问题；
2)滚动式移动方式运动速度快，而且爬行越障能力强，不仅适用于平坦、良好的地面，而且也适用于穿越沟壑或台阶等恶劣地形；
3)球型结构具有体积小、重量轻、节省能耗、方便运输的优点，对环境适应能力强，适合于广泛的推广应用；
4)近六边形的支撑板，可以保证各爪臂进行等角度装配，不仅结构稳固，而且摆动时互不干涉，稳定性较强；
5)结构及原理简单，方便操作，且智能化控制发展应用性较强。
上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种复合运动机械球，其特征在于：它由上半球、下半球和控制机构组成；所述上半球和下半球上下对称；所述上半球包括半球型的上壳体(1)以及设置于上壳体(1)内部的爪臂(2)；所述上壳体(1)沿圆心处张开均分为六瓣；所述爪臂(2)为六个，六个爪臂(2)的上部均通过角件(5)与六瓣上壳体一一固定；通过各爪臂之间的协调运动完成机械球在爬行或滚动状态下的切换；
所述爪臂(2)从上向下依次分为第三关节(6)、第二关节(7)、第一关节(8)；所述第三关节(6)、第二关节(7)、第一关节(8)上分别对应安装有三号舵机(11)、二号舵机(10)、一号舵机(9)，三个舵机用于为爪臂(2)提供三个自由度，使每个爪臂(2)实现独立收拢或外张；
所述爪臂(2)的下端分别通过一号舵机(9)与支撑板的六个边角相铰接；所述支撑板由上支撑板(3)和中间支撑板(4)组成，一号舵机(9)通过螺钉紧固设置于上支撑板(3)和中间支撑板(4)之间；所述上半球和下半球的中间支撑板通过螺栓紧固相接，组装后的机械球整体上为球型；
所述控制机构由控制主板、降压芯片和电源装置以及无线信号接收器组成；所述电源装置用于为各设备提供工作电能；所述控制主板通过降压芯片的降压输出之后控制各舵机的运行状态，从而带动各爪臂实现不同的动作，以完成机器人的行走或滚动；
所述无线信号接收器通过数据线与控制主板相连接，用于在接收到无线遥控模块发出的指令之后，通过控制主板控制舵机运行，从而完成相应动作。
2.根据权利要求1所述的复合运动机械球，其特征在于：所述控制主板和降压芯片均固定设置于上半球和下半球的中间支撑板之间。
3.根据权利要求1所述的复合运动机械球，其特征在于：所述电源装置以及无线信号接收器均固定设置于上半球或下半球的上支撑板(3)和中间支撑板(4)之间。
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