CN112829843B - 一种带臂球形探测机器人系统及变形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带臂球形探测机器人系统及变形方法，其至少包括球形壳体(1)，所述球形壳体(1)内设置有变形组件(2)、驱动组件(5)和控制单元(6)，所述变形组件(2)，其用于调节所述球形壳体(1)的形态，使得所述球形壳体(1)根据探测需求展开或闭合，所述驱动组件(5)，其用于在所述球形壳体(1)内产生驱动力，从而驱动球形壳体(1)能够进行定向滚动，所述控制单元(6)能够接收操作方发送的操作信息并根据接收的操作信息向所述变形组件(2)和/或驱动组件(5)发出不同的驱动指令，使得所述球形壳体(1)能够根据所受到的驱动力而进行运动或变形。

Description

一种带臂球形探测机器人系统及变形方法

技术领域

本发明涉及球形机器人技术领域，尤其涉及一种带臂球形探测机器人系统及变形方法。

背景技术

及时有效的灾后搜救是在自然灾害面前能够有效降低人员伤亡的方式，并已经得到了世界各国的高度重视和越来越多人的关注。为了使灾后的损失降到最小，在后的搜救行动刻不容缓。然而灾后的环境十分复杂，一方面潜藏着烟尘、毒气、坍塌和爆炸等未知的危险因素，一方面要对危害源进行准确定位处理，及时地对受伤人员运送重要物资，在这种不确定的和复杂的环境中，有效的时间内执行搜救工作是十分困难的，搜救队员的生命安全得不到保证，搜救工作的不易快速展开。因此，使用搜救机器人代替人们对灾后搜救目标进行搜寻和操作，已经成为了当前机器人技术研究的一大热点问题。由此可见，发明一种即可以执行搜寻任务和操作任务的变结构球形搜救机器人，有着极其重要的意义。

为了能够提升灾后救援的侦测能力，解决信息获取问题，给救援人员搜集提供更多更具体的救援信息，以制定科学高效的救援方案，目前相关的研究机构以开发出了多种多样的后搜救机器人。最常见的搜救机器人主要分为履带式搜救机器人、轮式机器人、腿式机器人和球形机器人几种。其中履带机器人应用最为广泛，具有越障能力强和对地面压强小的特点，但是移动速度慢，运动效率不高。轮式搜救机器人具有，运动效率高，运动速度快和结构简单的特点，但是越障能力较弱。腿式搜救机器人具有越障能力强特点，但是机械结构设计和控制复杂，可靠性较低和稳定性差。球形搜救机器人虽然运动灵活，自保护性好，但是对外操作能力差。此外，目前的球形机器人的应用主要为在其内部搭载摄像设备和传感器等装置实现侦测功能，绝大部分球形机器人不具备任何的对外操作能力。对于带臂球形机器人的研究工作尚未充分展开，而日益增加的对于特殊环境探测侦察机器人的需求，正急切地需要带臂球形机器人相关技术的研究与发展。

中国专利CN107150727BA公开了一种球形机器人，包括球壳及驱动组件。所述驱动组件包括连接部、驱动臂和两个控制力矩陀螺系统。所述驱动臂包含驱动轮和驱动电机。所述驱动轮与所述球壳内壁相接触，驱动所述球形机器人行走。所述两个控制力矩陀螺系统之间设有一组反向同步齿轮组，以带动所述两个控制力矩陀螺系统反向同步偏摆。所述球形机器人受到干扰力矩干扰时，通过控制所述控制力矩陀螺系统偏摆来产生进动力矩以克服所述干扰力矩及提高所述球形机器人的稳定性，从而平衡所述球形机器人的姿态。该专利虽然一定程度上提高了球形机器人的爬坡能力但是其内驱动结构复杂且空间占用大，不利于其他检测机构的安装，且球壳无法根据需求任意打开，也不存在机械臂结构的设置，无法满足日益增加的对于特殊环境探测侦察机器人的需求，此外，该专利仍存在可靠性较低和稳定性差的问题。

中国专利CN101279447BA公开了一种球形机器人稳定支撑机构，其位于球形机器人本体的正下方，包括：一可分拆的局部圆球壳，该局部圆球壳可与球形机器人的外球壳整合一圆球，其上开设供支撑机构的支脚落入的槽孔；一驱动单元，由直流无刷电机与齿轮组连接构成；一丝杠传动单元，由丝杠和与其可螺纹传动的丝杠螺母构成；一组支撑机构，各支撑机构由与丝杠螺母铰接的上连杆及与上连杆再铰接的三连杆机构构成，其中该三连杆机构的第三连杆为固定在局部圆球壳上并可滑动落入该球壳上的开设的槽孔内的支脚；所述驱动单元的齿轮组可驱动丝杠传动单元的丝杠运动；各支撑机构的上连杆可随丝杠传动单元的丝杠螺母的转动而动。这种方式能保证机械臂在360°圆周旋转时球形机器人本体的稳定。该专利虽然能够有效地提高球形机器人内部结构的稳定性，但是无法根据需求进行球壳的展开和外界环境的探测与取样，也没有解决现有机器人在崎岖或坡度地面难以前进的缺陷，其内部也不存在较大的空余空间方便进行其他结构的安装。

与现有技术不同，本发明的安装有机械臂和变形机构的球形探测机器人，在球形状态能够通过舵机驱动力和重摆及机械臂的重力作用下进行驱动力更强的滚动，能够很好地适用于崎岖或坡度地面。另外，变形机构能够驱使球壳在设定位置进行形态的变换，从而更加有利于机器人进行检测和采样操作。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

针对现有技术之不足，本发明的技术方案是提供一种带臂球形探测机器人系统，其至少包括球形壳体，所述球形壳体内设置有变形组件、驱动组件和控制单元，所述变形组件，其用于调节所述球形壳体的形态，使得所述球形壳体根据探测需求展开或闭合，所述驱动组件，其用于在所述球形壳体内产生驱动力，从而驱动球形壳体能够进行定向滚动，所述控制单元能够接收操作方发送的操作信息并根据接收的操作信息向所述变形组件和/或驱动组件发出不同的驱动指令，使得所述球形壳体能够根据所受到的驱动力而进行运动或变形。本发明将滑轨和轴杆同时作为球形机器人框架的主要结构，重摆作为支撑球壳站立的平台，节省球壳内部驱动结构所占空间，为其他部分的安装提供充足空间。此外，本发明公开的推杆对半展开式球形机器人实现变形机构始终在空中进行展开，使得变形机构不受地面情况影响，方便机器人能够在特殊的环境下通过能够延展至外部的机械臂组件进行样本采集和环境检测。另外，本发明通过设置变形机构和驱动组件相结合的内置驱动机构，使得球形机器人能够在内部驱动的作用下更加稳定在异常环境中活动，尤其是通过重摆的摆动来作为装置滚动的驱动力，使得球形机器人能够随着重摆及其支撑的机械臂组件等重量的变化而进行更有效地爬坡滚动。

根据一种优选的实施方式，所述变形组件连接有重摆，在所述球形壳体进行球壳展开运动时，所述驱动组件接收所述控制单元发出的指令而带动所述变形组件和重摆沿第二方向转动，使得所述球形壳体按照其重心随所述重摆的运动而改变的方式沿第二方向滚动设定距离，从而所述变形组件的第一长轴部的轴线与地面成一定夹角，所述球形壳体能够以其球壳开合边缘位置脱离与地面接触的状态进行球壳的变形展开。通过重摆和变形组件相结合的运动，能够使得球形壳体中的长轴部按照其轴线与地面呈一定夹角的倾斜状态下完成壳体的展开和闭合活动，很好地避免现有技术中球形壳体的开闭是在地表摩擦过程中完成的，提高了球形壳体的使用寿命，还能避免壳体闭合时，由于地面的摩擦滑动而使得部分杂物进入到球形壳体内部，防止装置内部机构的损伤。

根据一种优选的实施方式，所述控制单元至少包括控制所述驱动组件完成球形壳体的直线滚动的第一指令、控制所述驱动组件完成球形壳体转弯的第二指令以及控制所述球形壳体进行展开的第三指令，其中，所述控制单元的第一指令是控制所述驱动组件的长轴舵机带动所述变形组件和重摆进行旋转，使得所述球形壳体进行切线方向与第一方向重合的直线滚动；所述控制单元的第二指令是在维持所述长轴舵机的驱动下，所述驱动组件的短轴舵机控制所述变形组件的短轴部连接的重摆进行第二方向摆动，从而所述球形壳体能够在所述长轴舵机和短轴舵机的驱动合力作用下完成方向可调地滚动。其优势在于，相比于现有技术，球形壳体的滚动和转弯仅依靠重摆的摆动角度和摆动幅度来控制，降低了球形机器人运动控制的难度，还精简球形壳体内的机构空间占用，方便增加机械臂等其他结构来更多实用性机构。

根据一种优选的实施方式，所述控制单元的第三指令至少包括：球形壳体的部分展开，所述短轴舵机驱动所述短轴部带动所述重摆在第二方向上转动一定角度，所述球形壳体的重心跟随偏移而使得所述球形壳体的第一半球壳体和第二半球壳体开合边缘上的橡胶垫片脱离与地面接触，所述控制单元控制所述变形组件的第一长轴部和第二长轴部伸长设定距离；球形壳体的姿态调整，所述短轴舵机驱动所述短轴部带动所述重摆在第二方向上反向转动与上述相同的角度，所述短轴部延长至所述重摆将所述球形壳体撑起；球形壳体的完全展开，所述第一长轴部、第二长轴部和短轴部进一步伸长。

根据一种优选的实施方式，所述控制单元还包括能够控制机械臂组件的活动的第四指令，所述机械臂组件包括多关节机械臂、机械钳和容纳腔体，其中，所述多关节机械臂在所述球形壳体展开的情况下，所述多关节机械臂根据第四指令而带动放置于所述容纳腔体的腔室中的所述机械钳移出至所述球形壳体所限定的空间，且所述多关节机械臂和机械钳根据第四指令完成外部环境中的探测和采样。

根据一种优选的实施方式，所述容纳腔体安装在所述重摆靠近所述短轴部的表面，所述容纳腔体远离所述重摆的表面支撑有能够带动机械钳在一定区域内进行活动的多关节机械臂，在所述球形壳体闭合的情况下，所述多关节机械臂按照多个机械臂单元折叠收缩并支撑于容纳腔体上的方式容纳于所述球形壳体内部。

根据一种优选的实施方式，所述变形组件至少包括所述第一长轴部、所述第二长轴部和横梁，其中，所述第一长轴部和第二长轴部的相对内端分设于所述横梁相对的两个端面上，所述第一长轴部和第二长轴部的相对外端分别连接至所述球形壳体的第一半球壳体和第二半球壳体，使得所述第一半球壳体和第二半球壳体能够跟随所述第一长轴部和第二长轴部的伸长或缩短而发生相对运动，从而所述球形壳体进行展开或闭合活动。

根据一种优选的实施方式，所述短轴部至少包括转动支架、螺栓轴杆和第二舵盘，其中，所述转动支架通过所述第二舵盘与所述短轴舵机转动连接，所述转动支架按照所述短轴舵机的转轴与螺栓轴杆共轴线的方式与所述横梁转动连接，使得所述短轴部连接的重摆能够在短轴舵机的作用下沿第二方向进行摆动；所述螺栓轴杆通过架设在其轴杆上的所述山型轴架连接有能够限定所述转动支架带动所述重摆进行摆动的摆动角度的铜柱。其优势在于，限制了重摆在第二方向上的活动范围，避免重摆和短轴部碰撞到球形机器人的其他结构，降低碰撞磨损的风险。

本申请还提供一种带臂球形探测机器人系统的变形方法，其包括球形壳体，所述球形壳体内设置有能够驱动其球壳的展开或闭合的变形组件和能够驱动与变形组件连接的重摆进行定向摆动的驱动组件；所述变形组件和/或驱动组件接收控制单元发出的指令而驱动所述球形壳体进行滚动或变形本发明构建一种新型驱动及变形结构的球形机器人内部机构：滑轨和轴杆同时作为球形机器人框架的主要结构，重摆作为支撑球壳站立的平台，节省球壳内部驱动结构所占空间，为其他部分的安装提供充足空间。此外，本发明公开的推杆对半展开式球形机器人实现变形机构始终在空中进行展开，使得变形机构不受地面情况影响，方便机器人能够在特殊的环境下进行样本采集和环境检测。另外，本发明相较于已有的带臂球形机器人，具有质量轻，体积小，操作范围广的优点。

根据一种优选的实施方式，所述重摆用于驱动所述球形壳体进行定向滚动并能够在所述球形壳体展开状态下对球形机器人进行悬空支撑；所述驱动组件通过驱动所述变形组件进行转动的方式带动所述重摆进行摆动，从而调节所述重摆的摆动方向和/或摆动角度，使得处于球形状态下的所述球形壳体跟随所述重摆的摆动而进行方向可调节地滚动；所述重摆上还设置有机械臂组件，在所述球形壳体展开的情况下，所述机械臂组件能够从第一半球壳体和第二半球壳体之间的间隙伸展至所述球形壳体的外部。其优势在于，相较于已有的带臂球形机器人变形方式，球壳对半展开使得球体内有足够空间搭载多关节机械臂，并使球壳能更大程度地打开，机器人也因此具备了更强的对外操作能力。

附图说明

图1是本发明的一种带臂球形探测机器人系统的优选实施例的控制流程图

图2是本发明的一种带臂球形探测机器人系统的优选实施例的结构示意图；

图3是本发明的带臂球形探测机器人系统的球形壳体展开后的结构示意图；

图4是本发明的带臂球形探测机器人系统的长轴机构的变形展开时的结构示意图；

图5是本发明的带臂球形探测机器人系统的短轴机构的变形展开时的结构示意图；

图6是本发明的带臂球形探测机器人系统的第一长轴部左侧法兰连接及其剖视图；

图7是本发明的带臂球形探测机器人系统的第二长轴部右侧法兰连接及其剖视图；

图8是本发明的带臂球形探测机器人系统的短轴部的短轴轴系及其剖视图；

图9是本发明的带臂球形探测机器人系统的球形壳体部分展开的结构示意图；

图10是本发明的带臂球形探测机器人系统展开过程中的姿态调节的结构示意图；

图11是本发明的带臂球形探测机器人系统完全展开时的结构示意图；

图12是本发明的带臂球形探测机器人系统的机械臂组件展开时的结构示意图。

附图标记列表

1：球形壳体 2：变形组件 3：重摆

4：机械臂组件 5：驱动组件 6：控制单元

11：第一半球壳体 12：第二半球壳体 21：第一长轴部

21：第二长轴部 23：短轴部 24：横梁

41：多关节机械臂 42：机械钳 43：容纳腔体

51：长轴舵机 52：短轴舵机 211：第一伸缩杆

212：第一滑轨 213：第一法兰盘 214：第一舵盘

221：第二伸缩杆 222：第二滑轨 223：第二法兰盘

224：法兰轴承座 225：轴承 231：第三伸缩杆

232：转动支架 233：滚动轴承 234：螺栓轴杆

235：铜柱 236：山型轴架 237：第二舵盘

13：橡胶垫片

具体实施方式

下面结合附图1至12进行详细说明。

实施例1

本发明还提供一种球形机器人变形机构的变形方法，其包括由控制单元6控制的由变形组件2带动的球形壳体1的展开和闭合、重摆3的摆动与支撑以及机械臂组件4的伸展和收缩。

如图2所示，在闭合状态下的球形壳体1进行滚动过程中，球形壳体1主要是通过第一半球壳体11和第二半球壳体12接触的橡胶垫片13裸露在壳体外部的部分垫片与地面接触，即球形壳体1的运动主要是通过外轮廓呈圆形的橡胶垫片13在地面滚动实现的。橡胶垫片13的设置既能够保证第一半球壳体11和第二半球壳体12相互卡合时的密封性，避免滚动过程液体侵入球形壳体1内部损伤内部的变形组件2。橡胶垫片3还能够在第一半球壳体11与第二半球壳体12相互靠近的收缩状态下相互挤压而产生微小形变，从而增大第一半球壳体11与第二半球壳体12之间的摩擦力，确保第一半球壳体11和第二半球壳体12在滚动运动状态下不会发生错位运动。此外，橡胶垫片3相对于由构成球形壳体1的金属、塑料等材质，具有更好的附着力，使得球形壳体1在滚动过程中，与地面接触的橡胶垫片3具有有效地摩擦力，从而球形壳体1能够在摩擦力较小或具有一定坡面的地面上仍能够正常地滚动前行。

如图1所示，控制单元6包括控制驱动组件5完成球形壳体1的直线滚动的第一指令、控制驱动组件5完成球形壳体1转弯的第二指令、控制球形壳体1进行展开的第三指令和控制机械臂组件4运动的第四指令。

控制单元6的第一指令是控制驱动组件5的长轴舵机51带动变形组件2和重摆3进行旋转，使得球形壳体1进行切线方向与第一方向重合的直线滚动。

控制单元6的第二指令是在保持长轴舵机51的驱动下，驱动组件5的短轴舵机52同时控制变形组件2的短轴部23连接的重摆3进行第二方向摆动。球形壳体1能够在长轴舵机51和短轴舵机52的驱动合力作用下完成方向可调地滚动。具体的，在长轴舵机51带动重摆3在第一方向运动的作用力和短轴舵机带动重摆3在第二方向上运动的作用力同时施加在重摆3上的情况下，使得两者形成的合力矩驱动球形机器人能够进行转弯运动。

如图9-11所示，在球形机器人运动至设定位置后，变形组件2和驱动组件5接收控制单元6发出的第三指令而驱动球形壳体1进行的变形展开过程可分为以下三个步骤：

1、球形壳体的部分展开

在短轴舵机52的驱动力作用下，短轴部23带动重摆3向第二方向摆动，使得在原始状态下与地面平行的第一长轴部21和第二长轴部22在重摆3的重力作用下与地面形成一定的夹角。球形壳体1跟随重摆3的活动而发生第二方向的一定长度的滚动，第一半球壳体11与第二半球壳体12开合边缘上的橡胶垫片13脱离与地面接触，使得球形壳体1的变形展开不会受到地面摩擦力的影响。控制单元6控制第一长轴部21和第二长轴部22开始伸长，当第一半球壳体11与第二半球壳体12之间的间隙大于重摆3在第二方向上的宽度时即可停止伸长。

2、球形壳体的姿态调整

重摆3在短轴舵机52的驱动力作用下重新回正。优选的，上述回正后的位置即短轴部23与第一长轴部21和第二长轴部22的轴线相互垂直，且短轴部23的轴线与重摆3的重力线相互平行或重合。球形壳体1与地面接触的第一半球壳体11或第二半球壳体12跟随重摆3的回正而发生转动，使得第一长轴部21和第二长轴部22轴线再次与地面平行。此时第一半球壳体11和第二半球壳体12相向开口的某一边缘均与地面接触。控制单元6控制短轴部23的第三伸缩杆231开始伸长，重摆3随第三伸缩杆231的伸长而从第一半球壳体11和第二半球壳体12之间的间隙延伸至球形壳体1的外部，从而重摆3以构成支撑底座的方式将球形壳体1和变形组件2等撑起。

3、球形壳体的完全展开

第一长轴部21和第二长轴部22接受控制单元6的指令而继续伸长。当第一伸缩杆211、第二伸缩杆221伸长至最大行程后，球形机器人即完成壳体的变形。

根据一种具体的实施方式，当完成球壳的展开变形后，如图3和12所示，设置在重摆3表面上的机械臂组件4收到控制单元6发出的第四指令而开始伸展并运动至球形壳体1的外部空间的设定位置对一定范围的外界环境进行信息采集和该区域内的样品采集操作。本申请球形壳体1内的变形组件2的设置方式能够有效地节约空间的占用，使得球壳内部还存在较大的安装空间，从而能够根据需求在球形壳体内部安装机械臂组件4。优选地，本申请的机械臂组件4采用如图12所示的机械臂组件。机械臂组件4包括多关节机械臂41、机械钳42和容纳腔体43，其中，容纳腔体43固定安装在重摆3面向变形组件2的表面上，容纳腔体43远离重摆3的表面安装有多关节机械臂41，多关节机械臂41远离容纳腔体43的一端活动连接有能够进行采样的机械钳42。优选地，机械钳42在机械臂收缩过程中能够进入到容纳腔体43中，使得机械臂组件4在收缩状态下占用更小的空间。

根据一种具体的实施方式，当机械臂组件4完成采样后，控制单元6控制变形组件2、重摆3和短轴舵机52按照球形壳体1的展开过程的相反顺序和操作步骤进行运动，使得球形壳体1重新闭合。

实施例2

本发明提供一种带臂球形探测机器人系统，其包括球形壳体1、变形组件2、重摆3、机械臂组件4和驱动组件5。

如图2所示，球形壳体1内安装有能够控制其组合式半球型壳体做出展开或闭合操作的变形组件2。变形组件2上还安装有重摆3和驱动组件5。变形组件2的一个端部通过长轴舵机51与球形壳体1连接，使得变形组件2能够跟随长轴舵机51运动而进行转动。在长轴舵机51带动变形组件2相对于球形壳体1进行转动时，设置在球形壳体1内变形组件2带动重摆3进行转动，使得球形机器人内部重心的位置发生改变，从而形成驱动球形壳体1定向运动的偏心力和惯性力，进而驱使球形机器人进行第一方向上的直线运动。在驱动组件5的短轴舵机52带动变形组件2和重摆3在第二方向上进行摆动时，球形壳体1能够在长轴舵机51和短轴舵机52两者形成的合力矩驱动下进行转弯运动。变形组件2能够在球形机器人静止的状态下沿第一方向展开球形壳体1。球形机器人以重摆3为底座支撑球形壳体1、变形组件2、机械臂4和驱动组件5，其中，机械臂4能够以重摆为支撑点伸展至外界空间，并对外界环境进行探测和采样。本发明构建一种新型驱动及变形结构的球形机器人内部机构：滑轨和轴杆同时作为球形机器人框架的主要结构，重摆作为支撑球壳站立的平台，节省球壳内部驱动结构所占空间，为其他部分的安装提供充足空间。此外，本发明公开的推杆对半展开式球形机器人实现变形机构始终在空中进行展开，使得变形机构不受地面情况影响，方便机器人能够在特殊的环境下进行样本采集和环境检测。

优选地，球形壳体1包括能够相互拼接构成完整的球形外壳的第一半球壳体11和第二半球壳体12。第一半球壳体11与第二半球壳体12的对接缝上还分别套设有橡胶垫片13。由于设置在第一半球壳体11与第二半球壳体12共同限定的腔室内的变形组件2的电动推杆在收缩状态下是具有自锁力的，使得具有一定厚度的两个橡胶垫片13能够在第一半球壳体11与第二半球壳体12相互靠近的收缩状态下相互挤压而产生微小形变，从而增大第一半球壳体11与第二半球壳体12之间的摩擦力，确保第一半球壳体11和第二半球壳体12在滚动运动状态下不会发生错位运动。

优选地，变形组件2包括第一长轴部21、第二长轴部22、短轴部23和横梁24。横梁24位于第二方向的两端分别连接第一长轴部21和第二长轴部22，即，第一长轴部21、第二长轴部22的相对内端均固定安装在横梁24上。第一长轴部21和第二长轴部22远离横梁24的相对外端分别连接在第一半球壳体11和第二半球壳体12内壁上，使得第一长轴部21和第二长轴部22的伸长或缩短与球形壳体1的展开或闭合相互联动。具体地，第一长轴部21的伸长或缩短带动第一半球壳体11进行移动；第二长轴部22的伸长或缩短带动第二半球壳体12进行移动。优选地，第一长轴部21能够通过设置在其远离横梁24一端的长轴舵机51的驱动而带动整个变形组件2和重摆3进行转动，使得球形机器人内部重心的位置发生改变，从而形成球形壳体1定向运动的偏心力和惯性力，进而驱使球形机器人进行第一方向上的直线运动。优选地，横梁24上还安装有短轴部23。短轴部23通过设置在其靠近横梁24一端的短轴舵机52的驱动而发生相对于横梁24的第二方向上的转动。在长轴舵机51带动重摆3在第一方向运动的作用力和短轴舵机带动重摆3在第二方向上运动的作用力同时施加在重摆3上的情况下，使得两者形成的合力矩驱动球形机器人能够进行转弯运动，转弯半径大小取决于重摆3配重与中心轴线的夹角，夹角越大，转弯半径就越小。优选地，第二方向是第一长轴部21、第二长轴部22共轴线的方向；第一方向同时垂直于第二方向和球体的一个径向方向，且第一方向是球形机器人的某一个切线方向；第三方向是第一方向和第二方向形成的90°夹角范围内任意共面方向。

优选地，短轴部23远离横梁24的一端与重摆3连接。在第一长轴部21、第二长轴部22和短轴部23均进行伸长运动的情况下，所述重摆3跟随短轴部23的延展而运动至壳体外部，并以其自身为支撑底座的方式将变形组件2和球形壳体1支撑悬置在重摆3形成的支撑底座的上方。

优选地，重摆3形成的支撑底座表面还安装有机械臂组件4。在球形壳体1逐渐闭合时，机械臂组件4的各单元杆体相互靠近并收缩到球形壳体1限定的球形内腔中。在球形机器人运动时，机械臂组件4相对于重摆3静止，从而机械臂组件4能够跟随重摆3进行运动，进而有效地增大在驱动组件5驱动下重摆3对球形机器人施加的惯性作用力，使得本发明的球形机器人能够更好地适用于更崎岖难行的地形，能够具有更强的驱动力和更大的可活动范围。本发明相较于现有技术的带臂球形机器人变形方式，球壳对半展开使得球体内有足够空间搭载多关节机械臂，并使球壳能更大程度地打开，机器人也因此具备了更强的对外操作能力。

实施例3

如图4和6所示，第一长轴部21包括第一伸缩杆211、第一滑轨212、第一法兰盘213和第一舵盘214。第一伸缩杆211的一端固定安装在横梁24上，且至少两根第一滑轨212按照与第一伸缩杆211相互平行的方式与横梁24连接。优选地，两个第一滑轨212分别设置于第一伸缩杆211的两侧，且两个第一滑轨212能够跟随第一伸缩杆211的伸长或缩短进行活动。第一滑轨212远离横梁24的一端通过横向连接件与第一伸缩杆211远离横梁24的一端连接。第一伸缩杆211远离横梁24的一端上固定安装有长轴舵机51。法兰盘213按照其弧形表面与第一半球壳体11的内壁相贴合的方式固定安装在第一半球壳体11的半球形内壁面的面心位置。法兰盘213远离第一半球壳体11的表面还安装有能够与长轴舵机51转动连接的第一舵盘214，从而实现第一长轴部21的两端分别安装在横梁24和第一半球壳体11的内壁上。

如图4和7所示，第二长轴部22包括第二伸缩杆221、第二滑轨222、第二法兰盘223、法兰轴承座224和轴承225。第二伸缩杆221的一端固定安装在横梁24上，且至少两根第二滑轨222按照与第二伸缩杆221相互平行的方式与横梁24连接。优选地，两个第二滑轨222分别设置于第二伸缩杆221的两侧，且两个第二滑轨222能够跟随第二伸缩杆221的伸长或缩短进行活动。优选地，第二滑轨222远离横梁24的一端通过横向连接件与第二伸缩杆221远离横梁24的一端连接。优选地，第二伸缩杆221远离横梁24的一端通过螺母和塞打螺栓与轴承225连接。轴承225的外壁上套设有法兰轴承座224。法兰轴承座224按照部分座体嵌入到第二法兰盘223中的方式镶嵌在第二法兰盘223上。优选地，第二法兰盘223按照其弧形表面与第二半球壳体12的内壁相贴合的方式固定安装在第二半球壳体12的半球形内壁面的面心位置。通过设置轴承225和法兰轴承座224，使得第二半球壳体12能够相对于第二伸缩杆221进行转动。

如图5和8所示，短轴部23至少包括第三伸缩杆231、转动支架232、滚动轴承233、螺栓轴杆234、铜柱235、山型轴架236、第二舵盘237。优选地，第三伸缩杆231的一端固定安装在转动支架232上。转动支架232活动连接至横梁24。第三伸缩杆231远离转动支架232的一端安装在重摆3上。当重摆3稳定安置在地面上时，重摆3通过与其形成的底座平面相互垂直连接的第三伸缩杆231支撑变形组件2和球形壳体1，且变形组件2和球形壳体1能够根据第三伸缩杆231的伸长或缩短而改变变形组件2和球形壳体1被支撑高度。

如图5和8所示，转动支架232远离第三伸缩杆231一端通过螺栓轴杆234连接在横梁24上。优选地，转动支架232穿设螺栓轴杆234的本体贯穿孔内还安装有能够使转动支架232相对于螺栓轴杆234进行转动的滚轴轴承233。在连接转动支架232的螺栓轴杆234的一端固定安装在横梁24上时，转动支架232能够相对于横梁24进行转动。优选地，转动支架232远离第三伸缩杆231的一端还安装有能够与短轴舵机52连接的第二舵盘237。优选地，横梁24远离其连接螺栓轴杆234一端的端面上安装有短轴舵机52。短轴舵机52的转轴与第二舵盘237连接，从而通过短轴舵机52驱动转动支架232和第三伸缩杆231的第二方向上的转动。优选地，短轴舵机52的转轴的轴线与螺栓轴杆234的轴线重合，从而与螺栓轴杆234共同限定转动支架232与横梁24的相对位置。在短轴舵机52驱动时，短轴舵机52通过转轴带动固定安装第二舵盘237的转动支架232进行转动，从而带动转动支架连接的第三伸缩杆231跟随运动，进而带动重摆3和机械臂组件4也发生相同幅度的运动。

优选地，横梁24上按照与螺栓轴杆234相平行的方式安装有两个铜柱235。两个铜柱235分别设于螺栓轴杆234的两侧。相互平行的螺栓轴杆234和铜柱235上还按照垂直于螺栓轴杆234轴线的方式设置有山型轴架236。山型轴架236的设置能够限定螺栓轴杆234和铜柱235的相对位置，且使得两个铜柱235形成的平面与螺栓轴杆234的轴线相互平行。优选地，两个铜柱235限定的平面相对于螺栓轴杆234更靠近重摆3，从而铜柱235可以直接限定转动支架232的可转动角度，从而避免第三伸缩杆231连接的重摆3由于摆动幅度过大而直接撞击第一长轴部21、第二长轴部22或球形壳体1。进一步优选地，山型轴架236沿螺栓轴杆234的轴线方向设置布设有至少三个，从而有效地固定螺栓轴杆234和铜柱235的相对位置相互之间的位置。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种带臂球形探测机器人系统，其至少包括球形壳体(1)，其特征在于，所述球形壳体(1)内设置有变形组件(2)、驱动组件(5)和控制单元(6)，

所述变形组件(2)，其用于调节所述球形壳体(1)的形态，使得所述球形壳体(1)根据探测需求展开或闭合，

所述驱动组件(5)，其用于在所述球形壳体(1)内产生驱动力，从而驱动球形壳体(1)能够进行定向滚动，

所述控制单元(6)能够接收操作方发送的操作信息并根据接收的操作信息向所述变形组件(2)和/或驱动组件(5)发出不同的驱动指令，使得所述球形壳体(1)能够根据所受到的驱动力而进行运动或变形，

所述变形组件(2)连接有重摆(3)，在所述球形壳体(1)进行球壳展开运动时，所述驱动组件(5)接收所述控制单元(6)发出的指令而同时带动所述变形组件(2)的短轴部(23)和重摆(3)沿第二方向转动，

使得所述球形壳体(1)按照其重心随所述重摆(3)的运动而改变的方式沿第二方向滚动设定距离，从而所述变形组件(2)的第一长轴部(21)的轴线与地面成一定夹角，所述球形壳体(1)能够以其球壳开合边缘位置脱离与地面接触的状态进行球壳的变形展开。

2.如权利要求1所述的带臂球形探测机器人系统，其特征在于，所述控制单元(6)至少包括控制所述驱动组件(5)完成球形壳体(1)的直线滚动的第一指令、控制所述驱动组件(5)完成球形壳体(1)转弯的第二指令以及控制所述球形壳体(1)进行展开的第三指令，其中，

所述控制单元(6)的第一指令是控制所述驱动组件(5)的长轴舵机(51)带动所述变形组件(2)和重摆(3)进行旋转，使得所述球形壳体(1)进行切线方向与第一方向重合的直线滚动；

所述控制单元(6)的第二指令是在维持所述长轴舵机(51)的驱动下，所述驱动组件(5)的短轴舵机(52)控制所述变形组件(2)的短轴部(23)连接的重摆(3)进行第二方向摆动，从而所述球形壳体(1)能够在所述长轴舵机(51)和短轴舵机(52)的驱动合力作用下完成方向可调地滚动。

3.如权利要求2所述的带臂球形探测机器人系统，其特征在于，所述控制单元(6)的第三指令至少包括：

球形壳体(1)的部分展开，所述短轴舵机(52)驱动所述短轴部(23)带动所述重摆(3)在第二方向上转动一定角度，所述球形壳体(1)的重心跟随偏移而使得所述球形壳体(1)的第一半球壳体(11)和第二半球壳体(12)开合边缘上的橡胶垫片(13)脱离与地面接触，所述控制单元(6)控制所述变形组件(2)的第一长轴部(21)和第二长轴部(22)伸长设定距离；

球形壳体(1)的姿态调整，所述短轴舵机(52)驱动所述短轴部(23)带动所述重摆(3)在第二方向上反向转动与上述相同的角度，所述短轴部(23)延长至所述重摆将所述球形壳体(1)撑起；

球形壳体(1)的完全展开，所述第一长轴部(21)、第二长轴部(22)和短轴部(23)进一步伸长。

4.如权利要求1所述的带臂球形探测机器人系统，其特征在于，所述控制单元(6)还包括能够控制机械臂组件(4)的活动的第四指令，

所述机械臂组件(4)包括多关节机械臂(41)、机械钳(42)和容纳腔体(43)，其中，所述多关节机械臂(41)在所述球形壳体(1)展开的情况下，所述多关节机械臂(41)根据第四指令而带动放置于所述容纳腔体(43)的腔室中的所述机械钳(42)移出至所述球形壳体(1)所限定的空间，且所述多关节机械臂(41)和机械钳(42)根据第四指令完成外部环境中的探测和采样。

5.如权利要求4所述的带臂球形探测机器人系统，其特征在于，所述容纳腔体(43)安装在重摆(3)靠近短轴部(23)的表面，所述容纳腔体(43)远离所述重摆(3)的表面支撑有能够带动机械钳(42)在一定区域内进行活动的多关节机械臂(41)，在所述球形壳体(1)闭合的情况下，所述多关节机械臂(41)按照多个机械臂单元折叠收缩并支撑于容纳腔体(43)上的方式容纳于所述球形壳体(1)内部。

6.如权利要求5所述的带臂球形探测机器人系统，其特征在于，所述变形组件(2)至少包括第一长轴部(21)、第二长轴部(22)和横梁(24)，其中，所述第一长轴部(21)和第二长轴部(22)的相对内端分设于所述横梁(24)相对的两个端面上，

所述第一长轴部(21)和第二长轴部(22)的相对外端分别连接至所述球形壳体(1)的第一半球壳体(11)和第二半球壳体(12)，使得所述第一半球壳体(11)和第二半球壳体(12)能够跟随所述第一长轴部(21)和第二长轴部(22)的伸长或缩短而发生相对运动，从而所述球形壳体(1)进行展开或闭合活动。

7.如权利要求3所述的带臂球形探测机器人系统，其特征在于，所述短轴部(23)至少包括转动支架(232)、螺栓轴杆(234)和第二舵盘(237)，其中，

所述转动支架(232)通过所述第二舵盘(237)与所述短轴舵机(52)转动连接，所述转动支架(232)按照所述短轴舵机(52)的转轴与螺栓轴杆(234)共轴线的方式与横梁(24)转动连接，使得所述短轴部(23)连接的重摆(3)能够在短轴舵机(52)的作用下沿第二方向进行摆动；

所述螺栓轴杆(234)通过架设在其轴杆上的山型轴架(236)连接有能够限定所述转动支架(232)带动所述重摆(3)进行摆动的摆动角度的铜柱(235)。

8.一种带臂球形探测机器人系统的变形方法，所述带臂球形探测机器人系统包括球形壳体(1)，其特征在于，所述球形壳体(1)内设置有能够驱动其球壳的展开或闭合的变形组件(2)和能够驱动与变形组件(2)连接的重摆(3)进行定向摆动的驱动组件(5)；

所述变形组件(2)和/或驱动组件(5)接收控制单元(6)发出的指令而驱动所述球形壳体(1)进行滚动或变形，

所述变形组件(2)连接有重摆(3)，在所述球形壳体(1)进行球壳展开运动时，所述驱动组件(5)接收所述控制单元(6)发出的指令而带动所述变形组件(2)的短轴部(23)和重摆(3)沿第二方向转动，

使得所述球形壳体(1)按照其重心随所述重摆(3)的运动而改变的方式沿第二方向滚动设定距离，从而所述变形组件(2)的第一长轴部(21)的轴线与地面成一定夹角，所述球形壳体(1)能够以其球壳开合边缘位置脱离与地面接触的状态进行球壳的变形展开。

9.如权利要求8所述的变形方法，其特征在于，所述重摆(3)用于驱动所述球形壳体(1)进行定向滚动并能够在所述球形壳体(1)展开状态下对球形机器人进行悬空支撑；

所述驱动组件(5)通过驱动所述变形组件(2)的短轴部(23)进行转动的方式带动所述重摆(3)进行摆动，从而调节所述重摆(3)的摆动方向和/或摆动角度，使得处于球形状态下的所述球形壳体(1)跟随所述重摆(3)的摆动而进行方向可调节地滚动；

所述重摆(3)上还设置有机械臂组件(4)，在所述球形壳体(1)展开的情况下，所述机械臂组件(4)能够从第一半球壳体(11)和第二半球壳体(12)之间的间隙伸展至所述球形壳体(1)的外部。

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