CN108583718A - 魔方型八足变胞机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人技术领域，涉及一种魔方型八足变胞机器人，其包括球形外主体、中央内主体以及行走执行支腿，球形外主体包括六个轴心驱动组件、十二个棱边功能组件和八个顶角分支组件，轴心驱动组件、棱边功能组件和顶角分支组件相互镶嵌咬合形成球形外主体内部的空间六圆正交式轴承，球形外主体通过空间六圆正交式轴承实现自身相对运动重构；轴心驱动组件的外表面上设有视觉装置、内部设有电机，棱边功能组件的外表面上设有控制装置和通信装置，顶角分支组件的外表面设有连接行走执行支腿的支腿连接端；球形外主体包覆在中央内主体的外部，球形外主体通过轴心驱动组件与中央内主体能转动的连接，中央内主体内部设有电池。

Description

魔方型八足变胞机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种魔方型八足变胞机器人。

背景技术

移动机器人采用的主要运动模式是轮式移动，但轮式移动是平坦路面出现后的产物，难以适应复杂地形，越障能力差，应用范围非常局限。随着机器人应用范围的日益广泛，移动机器人将逐步应用于人类所无法深入到的条件恶劣、地形复杂的未知非结构环境中探索、救援、军事活动等，为人类服务。未知非结构环境要求移动机器人必须具有较强的地形适应能力、高效的运动模式、自主运动能力、多功能工作模式以及快速重构变形的能力。

为拓展移动机器人的应用范围，人们从仿生学入手，通过观察人类和其他有足动物的运动模式(步行、爬行、跳跃等)，发展了各种足式行走机器人。足式行走机器人由于其采用非全时接触的行进方式，十分适合在复杂、崎岖地面通过和工作，可以在砂砾、雪地、冰面、山地等环境下行进，协助人类在一些特殊场合，如行星表面、灾难发生矿井、防灾救援、核泄漏事故和反恐斗争等情况完成工作。

但现有的足式行走机构也有着其自身无法避免的缺点，即其自身的稳定性问题。双足机器人的控制非常复杂，导致运动稳定性差；四足机器人由于其自身的步态特点，在迈步的时候比较容易失稳；现有六足和八足机器人由于分支过多，容易导致结构庞大，从而导致稳定性差。几乎所有的现有足式行走机器人，其支腿分布在同一平面上，这导致各个支腿的运动空间非常有限，而且显得很拥挤(腿多的情况)。

稳定性差是现有足式机器人固有的缺点，目前的解决方式也只是提高控制的速度和精度，属于一种“防患于未然”的解决方式，即将机器人重心偏离可控范围前通过控制各个支腿姿态及步法使其重心调整到可控范围，是一种复杂的实时监测调整过程。一旦重心补救不过来或者受到外力冲击，使机器人侧摔或者仰摔，由于支腿分布在一个平面，它将没有能力重新站起，便不能全自主性完成工作，这是一个很大的实际问题。即使现在有个别足式机器人的支腿分布在多个平面，但其支腿的相对关系是固定不变的，且其支腿也不是全空间覆盖的，同样有着摔倒后起不来的问题。此外现有机器人也缺少可重组变形的能力和手足共用的特点。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种魔方型八足变胞机器人，空间八足位置可转换、行走与执行机构可切换、能适应各种复杂的工作环境且能实现滚动、爬行和跳跃等多种行进方式，提高工作效率。

本发明是这样实现的：

一种魔方型八足变胞机器人，其包括球形外主体、中央内主体以及行走执行支腿，

所述球形外主体包括六个轴心驱动组件、十二个棱边功能组件和八个顶角分支组件，所述轴心驱动组件、棱边功能组件和顶角分支组件的轴承轨道相互镶嵌咬合形成所述球形外主体内部的空间六圆正交式轴承，所述空间六圆正交式轴承包括六个圆形轴承，每两个圆形轴承相互平行且三对间相互垂直，所述圆形轴承内部设有滚子，所述球形外主体通过所述空间六圆正交式轴承实现自身相对运动重构；所述轴心驱动组件、棱边功能组件和顶角分支组件的侧面中心处均设有感应小孔，当所述轴心驱动组件上的四个感应小孔均与相邻的所述棱边功能组件上的感应小孔对齐时，所述轴心驱动组件能进行驱动；所述轴心驱动组件的内部设有电机，其中一个所述轴心驱动组件的外表面上设有视觉装置，其中一个所述棱边功能组件的外表面上设有控制装置和通信装置，所述顶角分支组件的外表面设有支腿连接端；

所述球形外主体包覆在所述中央内主体的外部，所述球形外主体通过所述轴心驱动组件与所述中央内主体能转动的连接，所述中央内主体内部设有电池，所述电池为所述电机、视觉装置、控制装置和通信装置提供电源；

所述行走执行支腿为能更换的支腿，所述行走执行支腿为多段式行走执行支腿，所述行走执行支腿通过第一变胞运动副与所述支腿连接端连接，所述第一变胞运动副上设有驱动电机，相邻的两段所述行走执行支腿通过第二变胞运动副相互连接，相邻的两段所述行走执行支腿之间设有与所述第二变胞运动副并联的跳跃装置，末段的行走执行支腿与二单元转换锁止装置的中部连接，所述二单元转换锁止装置的两端分别设有足部和执行手，所述足部设有压力传感器，所述执行手装有用于安装工具的工具安装接口。

优选地，所述轴心驱动组件包括内层的第一四边球瓣形组合块、外层的第二四边球瓣形组合块、所述第一四边球瓣形组合块内表面上的圆柱以及所述圆柱外侧面上的第一导电连接装置，所述轴心驱动组件内部设有贯穿所述第一四边球瓣形组合块和圆柱的盲孔，所述第一四边球瓣形组合块的四个侧面设有第一轴承轨道；所述棱边功能组件包括内层的第三四边球瓣形组合块、中间层的第四四边球瓣形组合块以及外层的第五四边球瓣形组合块，所述第四四边球瓣形组合块的四个侧面设有第二轴承轨道；所述顶角分支组件包括内层的第一三边球瓣形组合块、中间层的第二三边球瓣形组合块、外层的第三三边球瓣形组合块以及所述第一三边球瓣形组合块内表面上的第二导电连接装置，所述第二三边球瓣形组合块的三个侧面设有第三轴承轨道，所述第一四边球瓣形组合块、第四四边球瓣形组合块以及第二三边球瓣形组合块相互拼接从而使第一轴承轨道、第二轴承轨道和第三轴承轨道拼接成空间六圆正交式轴承，所有组合块均能够相对运动；所述第二四边球瓣形组合块的四个侧面的中心处、第五四边球瓣形组合块的四个侧面的中心处以及第三三边球瓣形组合块的三个侧面的中心处均设有感应小孔。

优选地，所述圆柱的外端面上设有沿圆周方向均匀分布的第一销孔，所述第一销孔内设有销柱，所述盲孔内设有电机、电路切换装置。

优选地，所述第一导电连接装置包括第一导电支柱、第一插头、第一压缩弹簧以及位于所述第一导电支柱和第一插头之间的第一导电推杆，所述第一压缩弹簧套接在所述第一导电推杆上，所述第一插头的端面设有弧形凹槽；所述第二导电连接装置包括第二导电支柱、第二插头、第二压缩弹簧以及位于所述第二导电支柱和第二插头之间的第二导电推杆，所述第二压缩弹簧套接在所述第二导电推杆上，所述第二插头的端面设有三个弧形凹槽，所述三个弧形凹槽的中部相交。

优选地，所述第二四边球瓣形组合块的外表面设有视觉装置、充电口以及按钮；所述第五四边球瓣形组合块的外表面设有传感装置、工具箱或功能备份部件。

优选地，所述中央内主体为球体结构，所述中央内主体的外部设有三个穿过球心且两两相互垂直的支撑柱，所述中央内主体的外表面上设有与所述支撑柱同圆心的环形电插条，所述环形电插条与所述中央内主体内部的电池连接，所述支撑柱的端面设有沿圆周方向均匀分布的第二销孔，所述支撑柱上设有中段带螺纹的阶梯轴，所述阶梯轴嵌套入所述轴心驱动组件的盲孔内并与螺纹锁止装置连接，所述圆柱的内端面与所述螺纹锁紧装置之间设有端面轴承和第三压缩弹簧，所述阶梯轴末端通过联轴器与所述盲孔内的电机的输出轴连接。

优选地，所述环形电插条包括第一环形电插条和第二环形电插条，所述第一环形电插条的内径小于所述第二环形电插条的内径，所述第一环形电插条和第二环形电插条的中间均设有绝缘隔层，所述绝缘隔层的两侧分别为电源正极和负极，三个所述第二环形电插条的绝缘隔层相交处设有与第二插头吻合的断层，所述第一环形电插条与所述第一插头可滑动的插接，所述第二环形电插条与所述第二插头可滑动的插接。

优选地，所述跳跃装置包括与所述第二变胞运动副并联的弹簧和弹簧恢复式气缸，或者与所述第二变胞运动副并联的弹簧和所述第二变胞运动副上的弹簧拉伸电机。

优选地，所述第一变胞运动副和第二变胞运动副为二转动自由度变胞运动副，所述二转动自由度变胞运动副能根据不同的行走方式和操作要求实现二自由度到单自由度、单自由度到单自由度、单自由度到零自由度的转换。

优选地，所述行走执行支腿为三段式行走执行支腿，包括前段、中段和后段，所述后段的第一端通过第一变胞运动副与所述支腿连接端连接，所述第一变胞运动副上设有驱动电机，所述后段的第二端通过第二变胞运动副与所述中段的第一端连接，所述中段的第二端通过第二变胞运动副与所述前段的第一端连接，所述前段的第二端与二单元转换锁止装置的中部连接，所述前段和中段之间设有跳跃装置，所述二单元转换锁止装置的两端分别设有足部和执行手，所述足部设有压力传感器，所述执行手装有用于安装工具的工具安装接口。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提供的魔方型八足变胞机器人，通过六个轴心驱动组件、十二个棱边功能组件和八个顶角分支组件相互镶嵌咬合形成球形外主体内部的空间六圆正交式轴承，通过轴心驱动组件的电机驱动转动，实现机器人的球形外主体的各组合块多种形式的相对运动，进而实现机器人球形外主体自身的相对运动重构，最终实现滚动、爬行和跳跃等多种行进方式的转换、行走执行支腿的位姿转换和组合等。

(2)本发明的行走执行支腿采用二转动自由度变胞运动副和二单元转换锁止装置，可使得机器人根据行走方式的不同以及工况要求，手动或自动实现运动副的自由度的变化，进而达到所需的行走执行支腿的自由度数、末端执行单元的转换、锁定成不同形态和不同伸长量的支腿等目的。

(3)本发明结构紧凑、设计合理，集成度高、结构可重构，对行走环境和操作环境可自适应，适用于各种复杂的工作环境。

(4)本发明的魔方型八足变胞机器人的八足能够更换，八足可根据具体工作环境进行转换以及支腿的位姿调整和选择，能实现滚动、爬行和跳跃等多种行进方式，可以根据工作环境进行行进方式的随时转换，灵活便捷，提高工作效率。

(5)行走装置与执行操作装置共用，大大简化了结构；机器人在行走过程中不需要控制其重心，只需要控制好行走方向即可，所以控制简单；在行走过程中，通过气压与弹簧共同减震，减震效果较同类机构更好；当每条支腿充当执行装置时，亦可利用气压提供一个较大的动量，从而保证了工作过程中所需要的力；实现一机多用，减少多机械占用的空间、提高工作效率、降低成本。

(6)本发明提供了一种变拓扑结构的可滑动电连接的新供电方式，解决了多个运动组件相互交叉运动时电线被铰断的问题。

(7)本发明提供了一种可轴向预紧连接且可绕轴线转动驱动的可动连接方式，解决了多组件可重构机器人在能保持整体结构聚集在一起不散开的情况下进行驱动的问题。

附图说明

图1为本发明的魔方型八足变胞机器人的示意图；

图2为本发明的轴心驱动组件的示意图；

图3为本发明的棱边功能组件的示意图；

图4为本发明的顶角分支组件的示意图；

图5为本发明的球形外主体内部镶嵌配合示意图；

图6本发明的空间六圆正交式轴承的示意图；

图7为本发明的中央内主体的示意图；

图8为本发明的轴心驱动组件与中央内主体的连接示意图；

图9为本发明的第一环形电插条与第一插头的连接示意图；

图10为本发明的第二环形电插条和第二插头的连接示意图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

如图1所示，一种魔方型八足变胞机器人，其包括球形外主体7、中央内主体1以及行走执行支腿5，球形外主体7包括六个轴心驱动组件2、十二个棱边功能组件3和八个顶角分支组件4。轴心驱动组件2、棱边功能组件3和顶角分支组件4相互镶嵌咬合形成如图6所示的球形外主体7内部的空间六圆正交式轴承6，空间六圆正交式轴承6包括六个圆形轴承，每两个圆形轴承相互平行且三对间相互垂直，圆形轴承内部设有滚子，球形外主体7通过空间六圆正交式轴承6实现自身相对运动重构；轴心驱动组件2、棱边功能组件3和顶角分支组件4的侧面中心处均设有感应小孔221，当两个感应小孔对齐时能相互感应到，只有当轴心驱动组件2上的四个感应小孔221均与相邻的4个棱边功能组件3上的感应小孔221对齐时，轴心驱动组件2进行驱动；其中一个轴心驱动组件2的外表面上设有视觉装置10、每个轴心驱动组件2的内部设有一个电机12，其中一个棱边功能组件3的外表面上设有控制装置和通信装置(图中未示出)，控制装置通过无线电控制所有组件，其中一个棱边功能组件的外表面设有传感装置，另外的棱边功能组件工具箱和功能备份部件，棱边功能组件的外表面上的装置可根据不同功能要求进行任意设计，顶角分支组件4的外表面设有支腿连接端401。

球形外主体7包覆在中央内主体1的外部，球形外主体7通过轴心驱动组件2与中央内主体1能转动的连接，中央内主体1内部设有电池，电池与电机12、视觉装置10、控制装置和通信装置电连接。

行走执行支腿5为可更换支腿，行走执行支腿5为多段式行走执行支腿，行走执行支腿5通过第一变胞运动副501与支腿连接端401连接，第一变胞运动副501上设有驱动电机，相邻的两段行走执行支腿通过第二变胞运动副502相互连接，相邻的两段行走执行支腿之间设有跳跃装置，跳跃装置为与第二变胞运动副502并联的弹簧和弹簧恢复式气缸，既用于机器人在所需工况下的跳跃，又用于行走过程中的减震；或者跳跃装置为与第二变胞运动副502并联的弹簧和第二变胞运动副502上的弹簧拉伸电机，末段的行走执行支腿与二单元转换锁止装置(图中未示出)的中部连接，二单元转换锁止装置的两端分别设有足部和执行手，足部设有压力传感器，执行手装有用于安装工具的工具安装接口。

如图2—5所示，轴心驱动组件2包括内层的第一四边球瓣形组合块21、外层的第二四边球瓣形组合块22、第一四边球瓣形组合块21的内表面上的圆柱23以及圆柱23外侧面上的第一导电连接装置230，轴心驱动组件2内部设有贯穿第一四边球瓣形组合块21和圆柱23的盲孔231，第一四边球瓣形组合块21的四个侧面设有第一轴承轨道211，第一导电连接装置230包括第一导电支柱234、第一插头237、第一压缩弹簧236以及位于第一导电支柱234和第一插头237之间的第一导电推杆235，第一压缩弹簧236套接在第一导电推杆235上，保证在组件相对运动时第一插头与第一环形电插条的电源正负极的时时接触，防止出现断电情况。第一插头237的端面设有弧形凹槽；棱边功能组件3包括内层的第三四边球瓣形组合块301、中间层的第四四边球瓣形组合块302以及外层的第五四边球瓣形组合块303，第四四边球瓣形组合块302的四个侧面设有第二轴承轨道321；顶角分支组件4包括内层的第一三边球瓣形组合块402、中间层的第二三边球瓣形组合块404、外层的第三三边球瓣形组合块403以及第一三边球瓣形组合块402内表面上的第二导电连接装置420，第二导电连接装置420包括第二导电支柱421、第二插头424、第二压缩弹簧423以及位于第二导电支柱421和第二插头424之间的第二导电推杆422，第二压缩弹簧套接423在所述第二导电推杆422上，保证在组件相对运动时第二插头与第二环形电插条的电源正负极的时时接触，防止出现断电情况，第二插头424的端面设有三个弧形凹槽，三个弧形凹槽的中部相交，第二三边球瓣形组合块404的三个侧面设有第三轴承轨道441，第一四边球瓣形组合块21、第四四边球瓣形组合块302以及第二三边球瓣形组合块404相互拼接从而使第一轴承轨道211、第二轴承轨道321和第三轴承轨道441拼接成空间六圆正交式轴承6，空间六圆正交式轴承6包括六个圆形轴承，每两个圆形轴承相互平行且三对间相互垂直，圆形轴承内部设有滚子，从而使所有组合块能够相对运动，球形外主体作为机器人的机身能够重构。圆柱23的外端面上设有沿圆周方向均匀分布的第一销孔232，第一销孔232内设有销柱，每个盲孔231内都设有一个电机12和电路切换装置，电机12用于驱动组合块转动。第二四边球瓣形组合块22的四个侧面的中心处、第五四边球瓣形组合块303的四个侧面的中心处以及第三三边球瓣形组合块403的三个侧面的中心处均设有感应小孔，当两个感应小孔对齐时能相互感应到，只有当第二四边球瓣形组合块22上的四个感应小孔221均与相邻的第五四边球瓣形组合块303上的感应小孔221对齐时，轴心驱动组件2进行驱动；第二四边球瓣形组合块22的外表面设有视觉装置10、充电口11以及按钮，视觉装置10、充电口11以及按钮的数量均为一个，通过按钮可实现中央内主体1内电源与电机12和充电口11的切换。其中一个第五四边球瓣形组合块303的外表面设有传感装置，另外的第五球瓣形组合块303的外表面设有工具箱和功能备份部件，棱边功能组件的外表面上的装置可根据不同功能要求进行任意设计，安装工具箱，存放操作时所需的工具，以及魔方机器人易坏零件储备箱，以便对损坏的零件进行快速更换，从而提高工作效率，增强操作的实时性。

如图7—9所示，中央内主体1为球体结构，中央内主体1的外部设有三个穿过球心且两两相互垂直的支撑柱104，中央内主体1的外表面上设有与支撑柱104同圆心的环形电插条105，环形电插条105包括第一环形电插条151和第二环形电插条152，第一环形电插条151的内径小于第二环形电插条152的内径，第一环形电插条151和第二环形电插条152的中间均设有绝缘隔层106，绝缘隔层106的两侧分别为电源正极和负极。三个第二环形电插条152的绝缘隔层106相交处设有与第二插头424吻合的断层161。如图10所示，第一环形电插条151与第一插头237可滑动的插接，并通过第一压缩弹簧压紧，第一环形电插条151端面的弧形凹槽卡接在绝缘隔层上，端面与电源的正负极接触，如图9所示，第二环形电插条152与第二插头424可滑动的插接，并通过第二压缩弹簧423压紧，第二插头424端面的三个相交的弧形凹槽的设计使组合块相对运动时第二插头424与第二环形电插条152的连续接触，尤其是在三个第二环形电插条152的相交处的绝缘隔层断层161的设计，使第二插头424运动到断层161处时可进行与其插接的第二环形电插条152的变换，采用另一条弧形凹槽和相对应的第二环形电插条插接，保证电源的连续供电。这种变拓扑结构的可滑动电连接的新供电方式，解决了多个运动组件相互交叉运动时电线被铰断的问题。环形电插条105与中央内主体1内部的电池连接，支撑柱104的端面设有沿圆周方向均匀分布的第二销孔102，当球形外主体1处于重构工作状态时，销柱收回第一销孔内；当球形外主体1的各个组合块相对对齐静止时，第一销孔232与第二销孔102对齐，销柱推入到第二销孔102中以实现相对固定锁止。支撑柱104上设有中段带螺纹的阶梯轴101，阶梯轴101嵌套入轴心驱动组件2的盲孔231内并与螺纹锁止装置103连接，圆柱23的内端面与螺纹锁紧装置103之间设有端面轴承108和第三压缩弹簧107，阶梯轴101末端通过联轴器8与盲孔231内的电机12的输出轴连接，轴心驱动组件2与中央内主体1既能沿轴向预紧，又能实现电机驱动绕轴线的相对转动。

在本实施例中，行走执行支腿5为三段式行走执行支腿，包括前段53、中段52和后段51，后段51的第一端通过第一变胞运动副501与支腿连接端401连接，第一变胞运动副501上设有驱动电机，可使行走执行支腿在垂直第一变胞运动副的平面上360度旋转，后段51的第二端通过第二变胞运动副502与中段52的第一端连接，中段52的第二端通过第二变胞运动副502与前段53的第一端连接，前段53的第二端与二单元转换锁止装置的中部连接，前段53和中段52之间设有跳跃装置，跳跃装置为与第二变胞运动副502并联的弹簧和弹簧恢复式气缸，既用于机器人在所需工况下的跳跃，又用于行走过程中的减震，或者跳跃装置为与第二变胞运动副502并联的弹簧和第二变胞运动副502上的弹簧拉伸电机，二单元转换锁止装置的两端分别设有足部和执行手，足部设有压力传感器，每当行走执行支腿着地时，就会触发对应支腿上的压力传感器，从而控制视觉装置转换到合适的位置进行工作，执行手装有用于安装工具的工具安装接口，其可自动从工具配装箱选择并安装所需工具。

优选的，第一变胞运动副501和第二变胞运动副502为二转动自由度变胞运动副，二转动自由度变胞运动副能根据不同的行走方式和操作要求实现二自由度到单自由度、单自由度到单自由度、单自由度到零自由度的转换。

根据球形外主体7是否处于重构工作状态、各种支腿类型的不同组合以及支腿关节自由度数的不同设定，本发明提供的魔方型八足变胞机器人具有多种行走模式，可以通过球形外主体的多轴转动实现在不同路况下支腿的转换，可选用不同的支腿组合，机器人可以爬进，转换之后可以跳跃行进，或者通过球形外主体的转动实现同一支腿的滚动行走模式。操作模式与此类似，例如，在不同执行手上安装成工具箱中的钻具、挖具、凿具和铲具等以实现野外工作。本发明可同时实现行走与执行并行进展，例如行走过程中四个为行走支腿，另外四个支腿可按需作为执行装置。

滚动行进时，利用机器人球形外主体7的重构转动导致的重心偏离和偏离方向的支腿姿态动作进行行走。初始状态下八个支腿中的四个支腿伸直着地，其他支腿处于蜷缩状态。开始行进时根据行进方向驱动当前着地的两个支腿所在的竖直面上的轴心驱动组件电机，使机器人重心朝行进方向偏转，当重心偏转到倾覆临界值时，偏转方向的两个蜷缩支腿做伸直着地动作，同时前一离地的两个支腿做蜷缩动作，以此循环，做滚动步行动作。根据该种行走方式，首先将二单元转换锁止装置调整为行走足部朝外，并调整滚动步行行走模式下的支腿关节第一变胞运动副501和第二变胞运动副502的自由度，调整销柱为收回状态；两感应小孔221对齐时可以感知各个组合块的相对位置并产生信号，足部的压力传感器与地面接触时也产生信号，这些信号时时通过无线电传给控制装置；控制装置根据当前支腿着地情况判断出将要驱动的电机；只有所要转动的轴心驱动组件2上的四个感应小孔221均能感应到相邻4个棱边功能组件3上的感应小孔时才允许该组件电机进行驱动，控制装置根据感应小孔的感应情况发出驱动指令，进行一次90°的转动；在电机驱动的同时，控制装置对将要着地的支腿发出指令，要求相应支腿做出对应的步态变化，继而着地，完成一次滚动行走动作；以此循环，完成连续滚动行走动作。

当遇到较小的障碍物时可进行翻滚行进时，机器人支腿根部的第一变胞运动副上501的驱动电机调节角度，使机器人重心前移，得到一个翻转力矩，从而使魔方型机器人翻滚，这时背部支腿与底部支腿不断切换，从而实现魔方型机器人的翻滚前进，该前进方式和滚动行走相似，不同的是翻滚前进没用到球形外主体的重构转动，而是支腿动作导致的重心偏移进行的翻滚。

常规行走时也有很多形式，现以四个相同的支腿常规步行运动为例说明，采用平走方式。起步时，左前和右后支腿先向前迈进，然后右前和左后支腿向前迈进，如此交替，并且通过协调控制机器人支腿电机的转角，调节支腿关节高度，使魔方机器人的重心保持直线前进，以便最大限度地减小能源消耗。同样先调整支腿行走足部朝外，调整相应的支腿关节自由度；根据上述的机器人球形外主体的转动方式，将所需的四条支腿转到同一个平面；运动时球形外主体的各个组合块相对对齐静止，轴心驱动组件2的第一销孔232内的销柱推出，插入到中央内主体1的支撑柱的第二销孔102中以实现相对固定锁止；控制装置根据足部的压力传感器传送的信号指令相应支腿做出对应的步态变化，完成常规行走。

还可进行跳跃行走，该行走方式下要更换为跳跃行进支腿，调整销柱为推出状态，插入到第二销孔102内，锁定球形外主体。初始状态下机器人两支腿着地，其他支腿处于蜷缩状态，着地支腿根部的驱动电机调节角度，使机器人支腿向内靠拢，并蓄能。在弹簧恢复式气缸内储存气体进行气压减震，当魔方机器人需要向较高处(机器人所处的平面与目标平面的高度差大于机器人高度)跳跃时，弹簧恢复式气缸储气并最大限度地压缩弹簧，然后将压缩气体迅速释放，使机器人跳跃。

另一种跳跃方式，初始状态下机器人两支腿着地，其他支腿处于蜷缩状态，着地支腿根部的驱动电机调节角度，使机器人腿向内靠拢，并蓄能。当机器人需要向较高处跳跃时，弹簧拉伸电机同时工作，此时对应支腿间的角度会减小，当储蓄到一定能量时，两个弹簧拉伸电机同时释放，并带动弹簧释放能量，从而实现跳跃。

综上，本发明提供的魔方型八足变胞机器人，通过六个轴心驱动组件、十二个棱边功能组件和八个顶角分支组件相互镶嵌咬合形成球形外主体内部的空间六圆正交式轴承，通过轴心驱动组件的电机驱动转动，实现机器人的球形外主体的各组合块多种形式的相对运动，进而实现机器人球形外主体自身的相对运动重构，最终实现滚动、爬行和跳跃等多种行进方式的转换、行走执行支腿的位姿转换和组合等。

需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中,“第一”、“第二”仅用于区分不同位置的组合块，“第一四边球瓣形组合块”表明位于轴心驱动组件内层的四边球瓣形组合块，用于区分外层的四边球瓣形组合块。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种魔方型八足变胞机器人，其特征在于：其包括球形外主体、中央内主体以及行走执行支腿，

所述球形外主体包括六个轴心驱动组件、十二个棱边功能组件和八个顶角分支组件，所述轴心驱动组件、棱边功能组件和顶角分支组件的轴承轨道相互镶嵌咬合形成所述球形外主体内部的空间六圆正交式轴承，所述空间六圆正交式轴承包括六个圆形轴承，每两个圆形轴承相互平行且三对间相互垂直，所述圆形轴承内部设有滚子，所述球形外主体通过所述空间六圆正交式轴承实现自身相对运动重构；所述轴心驱动组件、棱边功能组件和顶角分支组件的侧面中心处均设有感应小孔，当所述轴心驱动组件上的四个感应小孔均与相邻的所述棱边功能组件上的感应小孔对齐时，所述轴心驱动组件进行驱动；所述轴心驱动组件的内部设有电机，其中一个所述轴心驱动组件的外表面上设有视觉装置，其中一个所述棱边功能组件的外表面上设有控制装置和通信装置，所述顶角分支组件的外表面设有支腿连接端；

所述球形外主体包覆在所述中央内主体的外部，所述球形外主体通过所述轴心驱动组件与所述中央内主体能转动的连接，所述中央内主体内部设有电池，所述电池为所述电机、视觉装置、控制装置和通信装置提供电源；

所述行走执行支腿为能更换的支腿，所述行走执行支腿为多段式行走执行支腿，所述行走执行支腿通过第一变胞运动副与所述支腿连接端连接，所述第一变胞运动副上设有驱动电机，相邻的两段所述行走执行支腿通过第二变胞运动副相互连接，相邻的两段所述行走执行支腿之间设有与所述第二变胞运动副并联的跳跃装置，末段的行走执行支腿与二单元转换锁止装置的中部连接，所述二单元转换锁止装置的两端分别设有足部和执行手，所述足部设有压力传感器，所述执行手装有用于安装工具的工具安装接口。

2.根据权利要求1所述的魔方型八足变胞机器人，其特征在于：所述轴心驱动组件包括内层的第一四边球瓣形组合块、外层的第二四边球瓣形组合块、所述第一四边球瓣形组合块内表面上的圆柱以及所述圆柱外侧面上的第一导电连接装置，所述轴心驱动组件内部设有贯穿所述第一四边球瓣形组合块和圆柱的盲孔，所述第一四边球瓣形组合块的四个侧面设有第一轴承轨道；所述棱边功能组件包括内层的第三四边球瓣形组合块、中间层的第四四边球瓣形组合块以及外层的第五四边球瓣形组合块，所述第四四边球瓣形组合块的四个侧面设有第二轴承轨道；所述顶角分支组件包括内层的第一三边球瓣形组合块、中间层的第二三边球瓣形组合块、外层的第三三边球瓣形组合块以及所述第一三边球瓣形组合块内表面上的第二导电连接装置，所述第二三边球瓣形组合块的三个侧面设有第三轴承轨道，所述第一四边球瓣形组合块、第四四边球瓣形组合块以及第二三边球瓣形组合块相互拼接从而使第一轴承轨道、第二轴承轨道和第三轴承轨道拼接成空间六圆正交式轴承，所有组合块均能够相对运动；所述第二四边球瓣形组合块的四个侧面的中心处、第五四边球瓣形组合块的四个侧面的中心处以及第三三边球瓣形组合块的三个侧面的中心处均设有感应小孔。

3.根据权利要求2所述的魔方型八足变胞机器人，其特征在于：所述圆柱的外端面上设有沿圆周方向均匀分布的第一销孔，所述第一销孔内设有销柱，所述盲孔内设有电机和电路切换装置。

4.根据权利要求2所述的魔方型八足变胞机器人，其特征在于：所述第一导电连接装置包括第一导电支柱、第一插头、第一压缩弹簧以及位于所述第一导电支柱和第一插头之间的第一导电推杆，所述第一压缩弹簧套接在所述第一导电推杆上，所述第一插头的端面设有弧形凹槽；所述第二导电连接装置包括第二导电支柱、第二插头、第二压缩弹簧以及位于所述第二导电支柱和第二插头之间的第二导电推杆，所述第二压缩弹簧套接在所述第二导电推杆上，所述第二插头的端面设有三个弧形凹槽，所述三个弧形凹槽的中部相交。

5.根据权利要求4所述的魔方型八足变胞机器人，其特征在于：所述第二四边球瓣形组合块的外表面设有视觉装置、充电口以及按钮；所述第五四边球瓣形组合块的外表面设有传感装置、工具箱或功能备份部件。

6.根据权利要求1所述的魔方型八足变胞机器人，其特征在于：所述中央内主体为球体结构，所述中央内主体的外部设有三个穿过球心且两两相互垂直的支撑柱，所述中央内主体的外表面上设有与所述支撑柱同圆心的环形电插条，所述环形电插条与所述中央内主体内部的电池连接，所述支撑柱的端面设有沿圆周方向均匀分布的第二销孔，所述支撑柱上设有中段带螺纹的阶梯轴，所述阶梯轴嵌套入所述轴心驱动组件的盲孔内并与螺纹锁止装置连接，所述圆柱的内端面与所述螺纹锁紧装置之间设有端面轴承和第三压缩弹簧，所述阶梯轴末端通过联轴器与所述盲孔内的电机的输出轴连接。

7.根据权利要求6所述的魔方型八足变胞机器人，其特征在于：所述环形电插条包括第一环形电插条和第二环形电插条，所述第一环形电插条的内径小于所述第二环形电插条的内径，所述第一环形电插条和第二环形电插条的中间均设有绝缘隔层，所述绝缘隔层的两侧分别为电源正极和负极，三个所述第二环形电插条的绝缘隔层相交处设有与第二插头吻合的断层，所述第一环形电插条与所述第一插头可滑动的插接，所述第二环形电插条与所述第二插头可滑动的插接。

8.根据权利要求1所述的魔方型八足变胞机器人，其特征在于：所述跳跃装置包括与所述第二变胞运动副并联的弹簧和弹簧恢复式气缸，或者与所述第二变胞运动副并联的弹簧和所述第二变胞运动副上的弹簧拉伸电机。

9.根据权利要求8所述的魔方型八足变胞机器人，其特征在于：所述第一变胞运动副和第二变胞运动副为二转动自由度变胞运动副，所述二转动自由度变胞运动副能根据不同的行走方式和操作要求实现二自由度到单自由度、单自由度到单自由度、单自由度到零自由度的转换。

10.根据权利要求9所述的魔方型八足变胞机器人，其特征在于：所述行走执行支腿为三段式行走执行支腿，包括前段、中段和后段，所述后段的第一端通过第一变胞运动副与所述支腿连接端连接，所述第一变胞运动副上设有驱动电机，所述后段的第二端通过第二变胞运动副与所述中段的第一端连接，所述中段的第二端通过第二变胞运动副与所述前段的第一端连接，所述前段的第二端与二单元转换锁止装置的中部连接，所述前段和中段之间设有跳跃装置，所述二单元转换锁止装置的两端分别设有足部和执行手，所述足部设有压力传感器，所述执行手装有用于安装工具的工具安装接口。