CN112937711B - 一种球型机器人变形机构及变形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种球型机器人变形机构及变形方法，其包括球形壳体(1)和设置在所述球形壳体(1)内并控制球形壳体(1)进行变形的变形组件(2)，所述变形组件(2)上连接有受驱动组件(5)驱动的重摆(3)，其中，所述重摆(3)用于驱动所述球形壳体(1)进行定向滚动，且其能够在所述球形壳体(1)展开状态下使得所述球形壳体(1)和变形组件(2)被悬空支撑；在所述驱动组件(5)通过驱动所述变形组件(2)而间接驱动所述重摆(3)进行摆动，以驱动球形机器人滚动时，所述驱动组件(5)能够调节所述重摆(3)的摆动方向和/或摆动角度，使得球形机械人能够跟随所述重摆(3)在至少两个方向上的摆动而进行方向可调节地滚动。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。

Description

一种球型机器人变形机构及变形方法

技术领域

本发明涉及球型机器人技术领域，尤其涉及一种球型机器人变形机构及变形方法。

背景技术

球形机器人是近二十年来热门的话题，它具有全封闭球形外壳，球内包含控制系统、动力系统、传感器等，其行进方式以滚动运动为主。球形机器人的这种外壳和运动方式的特殊性使其具有独特的优势。与传统机器人相比，球形机器人具有体积小、操作灵活、不受地形限制等特点，在房屋倒塌后形成的各类复杂裂缝和孔洞中可以行动自如，在救援通道尚未开辟出来前，可以通过裂缝或者孔洞通道提前侦测被困者的信息，辅助施救者制定方案，有效地执行救援任务。同时，球形机器人上配备自动循迹、智能避障以及摇杆控制等功能增强辅助救援的能力。通过摄像头采集球形机器人周围的环境信息，将获取的图形信息通过5.8G模块传输给用户终端，为救灾工作者探测受灾人员位置提供帮助，大大节约了救援时间，争取有效利用黄金救援时间。球形机器人在救援现场能够出色地协助救援人员完成搜寻探测任务，极大地提高救援的效率。

然而，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CN103587602A公开了一种主动式单摆球形机器人。它包括一个球形外壳和一个单摆，所述球形外壳由一个前半球壳体与一个后半球壳体以螺钉旋配构成的球形壳体。所述球形外壳内腔中，通过一个前固定条和一个后固定条安装所述单摆。所述单摆是在一个内框内同轴线安装一个长轴电机和一个短轴电机，该长轴电机直接连接驱动所述前半壳球壳绕内框中心轴线Y转动，该短轴电机通过传动机构传动一个驱动摆绕与轴线Y垂直的X轴线转动，实现球形机器人全方位稳定行走。该专利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。

中国专利CN101559794A公开了一种履带式球形机器人，它包括球壳、设于球壳内的框架、设于框架上滚动驱动装置和设于框架上的机械臂，包括球壳开合装置和履带行走装置，球壳由左半球壳和右半球壳组成，在框架与左、右半球壳之间均设有球壳开合装置，其包括设置在框架上的驱动电机，其通过传动机构连接左半球壳和右半球壳，使得该左半球壳和右半球壳相对于框架体运动而实现球壳的开合；在框架上设置驱动电机，其通过传动机构连接所述履带行走装置，使得履带行走装置运动打开地从球壳中伸出或缩回。该履带式球形机器人融合履带式机器人和球形机器人的特点，可更好地获取外部环境信息，并在此基础上实现智能化，从而扩大了球形移动机器人的应用范围。但是该专利的驱动结构复杂，存在多个调节控制结构占用了大量的球内空间，且该专利的滚动调节结构为单独的重摆结构，加大了装置重量和空间占有率，无法在球形壳体内部进行更多功能的扩展，也加大了在崎岖或坡度地面滚动的难度和能量耗费，另外，该专利在进行球壳的展开或闭合操作时，壳体的边缘始终与地面直接接触，摩擦力大，对球壳的磨损程度大，尤其是在闭合状态时还可能导致杂物进入到球壳内部，严重影响了内部变形机构的正常使用。

因此，针对现有技术的缺陷急需一种能够更好地适用于各种恶劣环境、操作方便、能进行外部环境探测和能够防止杂物进入球壳内部对变形机构造成损伤的球形机器人。

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球型机器人变形机构，其包括球形壳体和设置在所述球形壳体内并控制球形壳体进行变形的变形组件，所述变形组件上连接有受驱动组件驱动的重摆，其中，所述重摆用于驱动所述球形壳体进行定向滚动，且其能够在所述球形壳体展开状态下使得所述球形壳体和变形组件被悬空支撑；在所述驱动组件通过驱动所述变形组件而间接驱动所述重摆进行摆动，以驱动球形机器人滚动时，所述驱动组件能够调节所述重摆的摆动方向和/或摆动角度，使得球形机械人能够跟随所述重摆在至少两个方向上的摆动而进行方向可调节地滚动。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。

根据一种优选的实施方式，所述变形组件至少包括第一长轴部、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。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，所述第一长轴部远离所述横梁的一端通过所述驱动组件的长轴舵机与所述第一半球壳体转动连接，使得所述变形组件和重摆能够受所述长轴舵机传递的第一作用力而进行相对于所述球形壳体的转动，所述球形壳体按照设置在其内部的所述重摆的相对位置变化而产生所述球形壳体能够定向滚动的偏心力和惯性力的方式沿第一方向进行滚动。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，所述变形组件通过短轴部连接所述重摆，所述短轴部远离所述重摆的一端转动连接至所述横梁，所述短轴部远离所述重摆的一端的还连接有所述驱动组件的短轴舵机，所述短轴舵机能够带动所述短轴部和所述重摆在第二方向上进行一定角度的摆动，使得所述短轴舵机能够向所述重摆传递与所述第一作用力的方向不同的第二作用力，从而所述重摆在第一作用力和第二作用力的合力作用下进行第三方向的摆动，进而所述球形壳体能够进行运动方向可调节地滚动。

根据一种优选的实施方式，所述第一长轴部至少包括第一伸缩杆、第一法兰盘和舵盘，其中，所述第一伸缩杆的一个端与所述横梁连接，所述舵盘安装在所述第一法兰盘上，所述第一法兰盘远离所述舵盘的表面贴附于所述第一半球壳体的内壁；所述第一伸缩杆远离所述横梁的一端通过固定安装在第一伸缩杆杆体上的所述长轴舵机与所述舵盘转动连接，使得所述第一伸缩杆能够在所述长轴舵机的驱动下，带动所述变形组件和重摆进行相对于所述球形壳体的转动。

根据一种优选的实施方式，所述第二长轴部至少包括第二伸缩杆和第二法兰盘，所述第二伸缩杆的一端连接在所述横梁远离所述第一伸缩杆的表面，所述第二法兰盘按照与所述第二半球壳体的内壁轮廓契合的方式贴附在所述第二半球壳体的内壁上；所述第二伸缩杆远离所述横梁的一端通过能够安装在第二法兰盘上的法兰轴承座和轴承与所述第二法兰盘转动连接，从而第二伸缩杆能够跟随所述第一伸缩杆进行相对于第二半球壳体的转动。

根据一种优选的实施方式，所述第一长轴部还能够根据所述第一伸缩杆的伸长或缩短而调节第一半球壳体与所述横梁之间的距离；所述第二长轴部还能够根据所述第二伸缩杆杆体的伸长或缩短而调节第二半球壳体与所述横梁之间的距离，从而所述第一长轴部和所述第二长轴部通过同步伸缩驱动所述球形壳体的展开或闭合。

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。

本申请还提供一种球型机器人变形机构的变形方法，其包括球形壳体和设置在所述球形壳体内并控制球形壳体进行变形的变形组件，所述变形组件上连接有受驱动组件驱动的重摆，其中，所述重摆用于驱动所述球形壳体进行定向滚动，且其能够在所述球形壳体展开状态下使得所述球形壳体和变形组件被悬空支撑；在所述驱动组件通过驱动所述变形组件而间接驱动所述重摆进行摆动，以驱动球形机器人滚动时，所述驱动组件能够调节所述重摆的摆动方向和/或摆动角度，使得球形机械人能够跟随所述重摆在至少两个方向上的摆动而进行方向可调节地滚动。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。

根据一种优选的实施方式，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。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。

附图说明

图1是本发明的一种球型机器人变形机构的优选实施例的结构示意图；

图2是本发明的球型机器人变形机构的球形壳体展开后的结构示意图；

图3是本发明的球型机器人变形机构的长轴机构的变形展开时的结构示意图；

图4是本发明的球型机器人变形机构的短轴机构的变形展开时的结构示意图；

图5是本发明的球型机器人变形机构的第一长轴部左侧法兰连接及其剖视图；

图6是本发明的球型机器人变形机构的第二长轴部右侧法兰连接及其剖视图；

图7是本发明的球型机器人变形机构的短轴部的短轴轴系及其剖视图；

图8是本发明的球型机器人变形机构的球形壳体部分展开的结构示意图；

图9是本发明的球型机器人变形机构展开过程中的姿态调节的结构示意图；

图10是本发明的球型机器人变形机构完全展开时的结构示意图；

图11是本发明的球型机器人变形机构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11进行详细说明。

实施例1

本发明提供一种球型机器人变形机构，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1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2

如图3和5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3和6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4和7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4和7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。

实施例3

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1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8-10所示，在球形机器人运动至设定位置后，球形壳体1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向某一第二方向摆动，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2和11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11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。

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)

1.一种球型机器人变形机构，其包括球形壳体(1)和设置在所述球形壳体(1)内并控制球形壳体(1)进行变形的变形组件(2)，其特征在于，所述变形组件(2)上连接有受驱动组件(5)驱动的重摆(3)，其中，

所述重摆(3)用于驱动所述球形壳体(1)进行定向滚动，且其能够在所述球形壳体(1)展开状态下使得所述球形壳体(1)和变形组件(2)被悬空支撑；

在所述驱动组件(5)通过驱动所述变形组件(2)而间接驱动所述重摆(3)进行摆动，以驱动球型机器人滚动时，所述驱动组件(5)能够调节所述重摆(3)的摆动方向和/或摆动角度，使得球型机器人能够跟随所述重摆(3)在至少两个方向上的摆动而进行方向可调节地滚动，

第一长轴部(21)至少包括第一伸缩杆(211)、第一法兰盘(213)和舵盘(214)，其中，

所述第一伸缩杆(211)的一个端与横梁(24)连接，所述舵盘(214)安装在所述第一法兰盘(213)上，所述第一法兰盘(213)远离所述舵盘(214)的表面贴附于第一半球壳体(11)的内壁；

所述第一伸缩杆(211)远离所述横梁(24)的一端通过固定安装在所述第一伸缩杆(211)杆体上的长轴舵机(51)与所述舵盘(214)转动连接，

使得所述第一伸缩杆(211)能够在所述长轴舵机(51)的驱动下，带动所述变形组件(2)和所述重摆(3)进行相对于所述球形壳体(1)的转动。

2.如权利要求1所述的球型机器人变形机构，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。

3.如权利要求2所述的球型机器人变形机构，其特征在于，所述第一长轴部(21)远离所述横梁(24)的一端通过所述驱动组件(5)的长轴舵机(51)与所述第一半球壳体(11)转动连接，使得所述变形组件(2)和重摆(3)能够受所述长轴舵机(51)传递的第一作用力而进行相对于所述球形壳体(1)的转动，

所述球形壳体(1)按照设置在其内部的所述重摆(3)的相对位置变化而产生所述球形壳体(1)能够定向滚动的偏心力和惯性力的方式沿第一方向进行滚动。

4.如权利要求3所述的球型机器人变形机构，其特征在于，所述变形组件(2)通过短轴部(23)连接所述重摆(3)，所述短轴部(23)远离所述重摆(3)的一端转动连接至所述横梁(24)，所述短轴部(23)远离所述重摆(3)的一端的还连接有所述驱动组件(5)的短轴舵机(52)，

所述短轴舵机(52)能够带动所述短轴部(23)和所述重摆(3)在第二方向上进行一定角度的摆动，使得所述短轴舵机(52)能够向所述重摆(3)传递与所述第一作用力的方向不同的第二作用力，从而所述重摆(3)在第一作用力和第二作用力的合力作用下进行第三方向的摆动，进而所述球形壳体(1)能够进行运动方向可调节地滚动。

5.如权利要求4所述的球型机器人变形机构，其特征在于，所述第二长轴部(22)至少包括第二伸缩杆(221)和第二法兰盘(223)，所述第二伸缩杆(221)的一端连接在所述横梁(24)远离所述第一伸缩杆(211)的表面，所述第二法兰盘(223)按照与所述第二半球壳体(12)的内壁轮廓契合的方式贴附在所述第二半球壳体(12)的内壁上；

所述第二伸缩杆(221)远离所述横梁(24)的一端通过能够安装在第二法兰盘(223)上的法兰轴承座(224)和轴承(225)与所述第二法兰盘(223)转动连接，从而第二伸缩杆(221)能够跟随所述第一伸缩杆(211)进行相对于第二半球壳体(12)的转动。

6.如权利要求5所述的球型机器人变形机构，其特征在于，所述第一长轴部(21)还能够根据所述第一伸缩杆(211)的伸长或缩短而调节第一半球壳体(11)与所述横梁(24)之间的距离；

所述第二长轴部(22)还能够根据所述第二伸缩杆(221)杆体的伸长或缩短而调节第二半球壳体(12)与所述横梁(24)之间的距离，从而所述第一长轴部(21)和所述第二长轴部(22)通过同步伸缩驱动所述球形壳体(1)的展开或闭合。

7.如权利要求4所述的球型机器人变形机构，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)共轴线的方式与所述横梁(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)。

8.一种球型机器人变形机构的变形方法，其特征在于，其包括球形壳体(1)和设置在所述球形壳体(1)内并控制球形壳体(1)进行变形的变形组件(2)，所述变形组件(2)上连接有受驱动组件(5)驱动的重摆(3)，其中，所述重摆(3)用于驱动所述球形壳体(1)进行定向滚动，且其能够在所述球形壳体(1)展开状态下使得所述球形壳体(1)和变形组件(2)被悬空支撑；在所述驱动组件(5)通过驱动所述变形组件(2)而间接驱动所述重摆(3)进行摆动，以驱动球型机器人滚动时，所述驱动组件(5)能够调节所述重摆(3)的摆动方向和/或摆动角度，使得球型机器人能够跟随所述重摆(3)在至少两个方向上的摆动而进行方向可调节地滚动，

第一长轴部(21)至少包括第一伸缩杆(211)、第一法兰盘(213)和舵盘(214)，其中，

所述第一伸缩杆(211)的一个端与横梁(24)连接，所述舵盘(214)安装在所述第一法兰盘(213)上，所述第一法兰盘(213)远离所述舵盘(214)的表面贴附于第一半球壳体(11)的内壁；

所述第一伸缩杆(211)远离所述横梁(24)的一端通过固定安装在所述第一伸缩杆(211)杆体上的长轴舵机(51)与所述舵盘(214)转动连接，

使得所述第一伸缩杆(211)能够在所述长轴舵机(51)的驱动下，带动所述变形组件(2)和所述重摆(3)进行相对于所述球形壳体(1)的转动。

9.如权利要求8所述的变形方法，其特征在于，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。

Images