CN111216141B - 一种可对接重构球形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可对接重构球形机器人，其在单个球运动时具有高机动性，多个球对接重新构型后可成为蛇形或四足机器人等构型。在球形机器人单个球运动的基础上将其模块化设计，两个摆动接口和四个固定接口保证其能与其他单元球对接重构成为蛇形机器人或四足机器人构型。机器人可以通过对接重构实现全方位单体滚动、蛇形行进、四足式行走、协同作业等多种运动方式。其优点在于，既拥有单个球高机动运动能力，对接后又能重构成为其他构型的机器人，使球形机器人功能大大拓展，应用领域大大拓宽。此发明可适应野外复杂环境和地形，适应野外侦察、救灾应急等非结构化动态未知环境，此发明将在军事侦察、救灾等领域发挥重要作用。

Description

一种可对接重构球形机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，主要涉及球形机器人领域，尤其是模块化机器人应用技术，具体为以一种重摆驱动调向和飞轮调姿为驱动结构，以摆动驱动、正交摆杆和接口为对接结构，将单个球模块化设计使其能够互相对接实现重构型，组成蛇形机器人或四足机器人等构型。

背景技术

随着科学技术的发展，各类型机器人技术飞速发展，球形机器人开始展现出应用价值。球形机器人作移动机器人的一种，其球体具有很好的稳定性，不倒翁特性使其不会有倾覆的危险，球形机器人的几何特性使其可适应野外复杂环境和地形。野外侦察、救灾应急等非结构化动态未知环境，具有复杂的几何物理特性，且任务要求响应快速、机动灵活，传统单一构型机器人很难应对上述任务挑战。申请号为201810667007.7的一种球形机器人，其提供了一种位于所述球形壳体内的第一驱动件、传动杆及至少一组飞轮组件，第一驱动件用于驱动球形壳体转动，第一飞轮和第二飞轮用于克服干扰力矩。申请号为201910188308.6的一种具有双控制模式的质心径向可变三驱动球形机器人，包括球壳、驱动电机、重摆和重摆提升系统，使球形机器人实现质心径向可变。申请号为201610842050.3的球形机器人，其通过变形机构和对接重构机构可以实现球形态、双轮形态和多轮形态之间的相互变换。专利号为201310331622.8的球形机器人，采用半球差动进行前进、后退、原地转向等动作，应用丝杠的螺纹传动原理实现两球壳伸缩。

上述专利，对球形机器人的驱动、精准控制等方面进行了创新和改进，对其功能上也有所扩展，提高了球形机器人的稳定性，扩展了球形机器人的应用场景。但上述球形机器人在自主对接等方面未有提及，自主对接能力能够大大增加球形机器人的可用性，球形机器人可对接功能，可以能够使球形机器人不仅能单个球运动，还能对接起来形成其他构型，成为其他构型的机器人。

现有技术中，只有申请号为201610842050.3的球形机器人提及了重构能力，没有技术提及自主对接能力，少有实现球形机器人高速机动，降低了球形机器人的可用性。因此，研制具有较高速度可自主对接重构的球形机器人将会拓宽球形机器人应用场景，拓展球形机器人功能，此发明将在军事侦察、救灾等领域发挥重要作用。

发明内容

本发明提供一种可对接重构球形机器人，其既可以单个球运动，又可以多个球对接重新构型后可成为蛇形或四足机器人等构型。

本发明提供一种可对接重构球形机器人，在球形机器人单个球运动的基础上将其模块化设计，实现了机器人对接重构，两个摆动接口和四个固定接口保证其能与其他单元球对接重构成为蛇形机器人或四足机器人构型。机器人可以通过构型重构实现全方位单体滚动、蛇形行进、四足式行走、协同作业等多种运动方式。

为达到上述目的，本发明采用以下解决方案：

本发明提出一种基于重摆驱动调向和飞轮调姿的驱动模式，使球形机器人具有全方位滚动能力和高机动性。可通过接口自主对接，模块化对接重新构型为蛇形或四组机器人。

本发明提供一种球形机器人，其包括球壳、行走驱动结构、飞轮调姿结构和对接摆动结构。所述球壳分为三部分：中间球壳与两侧球壳，中间球壳与两侧球壳间可以相对转动，中间球壳与行走驱动结构和中间球壳轮毂相连，负责球形机器人的行进，中间球壳上装有两个固定对接公口、两个固定对接母口，用于四组机器人构型对接，两侧球壳与重摆相连，在球形机器人行走时与重摆保持相对静止，且不随中间球壳转动，负责球形机器人的对接和摆动；

所述行走驱动结构包含两个高速直流电机、齿轮、重摆、框架，通过一个高速电机和齿轮带动球壳高速旋转，驱动球前进，通过另一电机摆动重摆改变球形机器人重心，调整机器人姿态；

所述飞轮调姿结构包含飞轮及驱动电机，电机带动飞轮旋转产生动量，带动球壳原地旋转，在静态时调整姿态对接；

所述对接摆动结构包含盘型电机、减速器、电机套、两侧球壳轮毂、正交摆杆、接口组成，实现球形机器人的对接与互相摆动。

本发明提出了一种可对接重构球形机器人，其优点在于，既拥有单个球运动能力，对接后又能重构成为其他构型的机器人，使球形机器人功能大大拓展，应用领域大大拓宽。

附图说明

为了更加清楚的说明本发明的设计方案和实施方法，现将所需使用的附图做简要介绍。

图1是球形机器人的整体结构图。

图2是球形机器人的行走驱动结构和飞轮调姿结构结构图。

图3是球形机器人的对接摆动结构内部结构图。

具体实施方式

为了更加清楚的讲解本发明的目的、技术方案及优点，下面结合附图及实施例，对本发明进行详细说明。应当说明，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1与图2，图1是球形机器人的整体结构图。图2是球形机器人的转向结构和飞轮调姿结构结构图。所述球形机器人包括中间球壳1、两侧球壳2、行走驱动结构6、飞轮调姿结构4，对接摆动结构3、固定对接公口5与固定对接母口7。所述固定对接公口5与固定对接母口7对称安装在中间球壳1上，在中间球壳1上安装有两个固定对接公口5和两个固定对接母口7，用于球形机器人组成四足构型时对接。所述中间球壳1通过中间球壳轮毂605相连，由行进驱动电机601通过一对传动齿轮603驱动前进。所述传动齿轮分别与行进驱动电机601和中间球壳轮毂605相连，传动比为1。所述中间球壳轮毂既能给中间球壳提供支撑，又能被行进驱动电机601驱动带动中间球壳滚动。所述行进驱动电机601固定在中间框架604上被中间框架604和重摆607约束，在驱动球壳转动时，重摆607产生的重力使行进驱动电机601的定子被约束，驱动电机601将重摆604小浮动摆动后便被重摆重力产生的约束力矩约束。所述中间框架604通过重摆摆杆606与重摆607相连，二者之间有轴承保证重摆607的左右摆动，以调整重心，保持球形机器人平稳运动。所述重摆607通过中间框架604中安装的重摆摆动电机602被驱动左右摆动一定角度。

请参阅图1与图2，所述飞轮调姿结构4由飞轮机架401、飞轮402和飞轮驱动电机403组成。所述飞轮402安装在飞轮机架401上，与重摆607同轴心，且该轴心过球形机器人球心，在球形机器人静止状态下，飞轮402可由飞轮驱动电机403驱动高速旋转，产生动量带动中间球壳1和两侧球壳2被动地原地旋转，在对接时，球形机器人原地旋转可以调整两个球形机器人固定对接公口5、固定对接母口7和对接摆动结构3的角度，使其对齐对接。所述飞轮机架401被固定在重摆上607，在球形机器人静止状态下重摆607由重力作用与地面垂直，这样飞轮402在和地面平行的地面上旋转，产生该平面内的动量，使球形机器人原地水平旋转。所述飞轮驱动电机403安装在飞轮机架上，与飞轮同轴，带动飞轮旋转。

请参阅图1、图2与图3，所述对接摆动结构3由摆动电机及减速器301、接口摆杆302、摆动接口303、和两侧球壳轮毂304。所述两侧球壳轮毂304与行走驱动结构6相连接，即通过重摆重力作用使两侧球壳轮毂304保持相对水平，左右两侧球壳轮毂304开有接口摆动槽，且两个接口摆动槽正交垂直。所述摆动电机及减速器301正交的安装在两侧球壳轮毂304上，驱动接口摆杆302摆动，在对接前可以调整摆动接口303角度使其与另一球形机器人的摆动接口对齐对接。所述接口摆杆302安装在两侧球壳轮毂304上，由摆动电机及减速器301驱动实现两侧摆动接口303的二自由度正交摆动(水平摆动和俯仰摆动)。所述摆动接口303安装在接口摆杆302上，可随接口摆杆302摆动，进而带动对接上的下一个球形机器人摆动，摆动接口303与固定对接公口5和固定对接母口7相同，为一对公母接口，摆动接口303用于蛇形机器人对接，对接时将两个球形机器人正交运动的多个球形机器人对接在一起后，通过两球形机器人摆动接口303的水平摆动实现模拟蛇的蜿蜒摆动前进，摆动接口303的俯仰摆动可以实现两球形机器人之间的俯仰动作，可以使蛇形机器人抬起越过障碍。

最后应当说明，以上实施方案仅用以说明本发明申请的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方案对本发明做了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本申请技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种可对接重构球形机器人，其包括球壳、行走驱动结构、飞轮调姿结构和对接摆动结构，其特征在于，以一种重摆驱动和飞轮调姿为驱动结构，以摆动驱动、正交摆杆和接口为对接结构，在球形机器人单个球运动的基础上将其模块化设计，两个活动接口和四个固定接口保证其能与其他单元球对接重构成为蛇形机器人或四足机器人构型；其既可以单个球运动，又可以多个球对接重新构型后可成为蛇形或四足机器人构型；机器人可以通过对接重构实现全方位单体滚动、蛇形行进、四足式行走、协同作业多种运动方式；

所述球壳分为三部分：中间球壳与两侧球壳，中间球壳与两侧球壳间可以相对转动，中间球壳与行走驱动结构和中间球壳轮毂相连，负责球形机器人的行进，中间球壳上装有两个固定对接公口、两个固定对接母口，用于四足机器人构型对接，两侧球壳与重摆相连，在球形机器人行走时与重摆保持相对静止，且不随中间球壳转动，负责球形机器人的对接和摆动；两侧球壳轮毂与行走驱动结构相连接，即通过重摆重力作用使两侧球壳轮毂保持相对水平，左右两侧球壳轮毂开有接口摆动槽，且两个接口摆动槽正交垂直；

所述固定对接公口与固定对接母口对称安装在中间球壳上，在中间球壳上安装有两个固定对接公口和两个固定对接母口，用于球形机器人组成四足构型时对接；

所述行走驱动结构包含两个高速直流电机、齿轮、重摆、框架，通过一个高速电机和齿轮带动球壳高速旋转，驱动球前进，通过另一电机摆动重摆改变球形机器人重心，调整机器人姿态；

所述飞轮调姿结构包含飞轮及驱动电机，电机带动飞轮旋转产生动量，带动球壳原地旋转，在静态时调整姿态对接，在对接时，球形机器人原地旋转可以调整两个球形机器人固定对接公口、固定对接母口和对接摆动结构的角度，使其对齐对接；

所述对接摆动结构包含盘型电机、减速器、电机套、两侧球壳轮毂、正交摆杆、接口组成，实现球形机器人的对接与互相摆动；所述两侧球壳轮毂与行走驱动结构相连接，即通过重摆重力作用使两侧球壳轮毂保持相对水平，左右两侧球壳轮毂开有接口摆动槽，且两个接口摆动槽正交垂直；利用两侧摆动接口可将若干个本球形机器人对接成为蛇形机器人，可利用二自由度正交摆动机构驱动模块间摆动，实现模拟蛇的蜿蜒运动。

2.根据权利要求1所述一种可对接重构球形机器人，其重摆驱动和飞轮调姿行走驱动结构，以一个高速直流电机驱动球壳转动，以另一个高速直流电机驱动重摆摆动，调整球形机器人姿态；飞轮与飞轮驱动电机通过飞轮机架安装在重摆上，以飞轮的惯性带动球形机器人原地旋转调整姿态。

3.根据权利要求1所述一种可对接重构球形机器人，其对接摆动结构由两侧的正交摆动机构构成，其包含盘型电机、减速器、电机套、两侧球壳轮毂、正交摆杆、接口组成，盘型电机、减速器通过电机套安装在两侧球壳轮毂上，且在重摆重力作用下两侧球壳轮毂保持和地面相对静止，实现球形机器人的对接与正交二自由度摆动。

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