CN113212579A - 一种球轮腿复合可对外操作移动机器人 - Google Patents

一种球轮腿复合可对外操作移动机器人 Download PDF

Info

Publication number
CN113212579A
CN113212579A CN202110507107.5A CN202110507107A CN113212579A CN 113212579 A CN113212579 A CN 113212579A CN 202110507107 A CN202110507107 A CN 202110507107A CN 113212579 A CN113212579 A CN 113212579A
Authority
CN
China
Prior art keywords
joint
robot
wheel
spherical
leg
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202110507107.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113212579B (zh
Inventor
孙汉旭
李明刚
马龙
孙萍
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Normal University
Beijing University of Posts and Telecommunications
Original Assignee
Beijing Normal University
Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Normal University, Beijing University of Posts and Telecommunications filed Critical Beijing Normal University
Priority to CN202110507107.5A priority Critical patent/CN113212579B/zh
Publication of CN113212579A publication Critical patent/CN113212579A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113212579B publication Critical patent/CN113212579B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D57/00—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track
    • B62D57/02—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D57/00—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track
    • B62D57/02—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members
    • B62D57/032—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members with alternately or sequentially lifted supporting base and legs; with alternately or sequentially lifted feet or skid

Abstract

本发明公开一种球轮腿复合可对外操作移动机器人，其中包括球壳、关节、手爪以及能源和控制系统，所述球壳采用非屏蔽材料，所述关节集成驱动器、减速器和编码器，所述手爪上安装微型深度摄像头。在球形模式下，机器人处于封闭状态，相当于重摆驱动球形移动机器人；在轮腿模式下，机器人相对于一个两轮平衡车，当机械臂作用于地面该机器人可作为轮腿复合移动机器人。关节2和6用于驱动机器人滚动，关节3和5用于实现机器人球‑轮结构变形，关节4用于改变球形模式下的重心位置以实现转弯，关节11为机械臂根部旋转关节，在球形模式下可作为飞轮驱动电机，在轮式模式下可将机械臂旋转到球壳开合处用于机械臂对外操作，手爪8和14可用于对外操作或作为翻越障碍时的腿部支撑。该机器人可实现多种模式运动，环境适应性强，可实现对外操作，扩展了移动机器人的结构和功能内涵。

Description

一种球轮腿复合可对外操作移动机器人
技术领域
本发明涉及一种球轮腿复合可对外操作移动机器人，具体地说可分别通过球式、轮式和腿式进行运动，属于机器人领域。
背景技术
球式、轮式和腿式移动机器人各有优劣，适用于不同的工作场景，目前星球表面探测主要使用的是轮腿式移动机器人，球形移动机器人以其密闭性和全方位运动特性被用于军事侦察等领域。申请号CN202020587103.3公开了一种全地形球形轮腿式机器人，包括第一副球体、中心球体和第二副球体。申请号201910188184.4设计了一种由三分支机械臂作为第三驱动球形机器人，包括了框架、支撑机构和三分支机械臂。申请CN201310331622.8公开的一种半球差动可伸缩式球形机器人包括了丝杠机构、蜗轮蜗杆机构等。
在现有公开文献中，球形机器人结构和功能得到了改进和扩展，但有的结构不对称无法一边运动一边对外操作，有的已经失去真正意义上的球形结构，有的引入传动机构过多布局不够紧凑对球壳内部空间利用不充分。在家庭服务、军事侦察、星球探测等领域中，都要求机器人具有结构协调、运动方式灵活、可对外操作等能力。
为进一步改进移动机器人的结构和功能，需研究一种可实现多种运动模式和对外操作的移动机器人。
发明内容
本发明目的在于提出一种多种运动方式复合的可对外操作移动机器人方案，可实现球式、轮式和腿式三种运动方式，在轮式和腿式模式下可实现对外操作任务。
为实现上述目的，本发明提供的解决方案是：
所述机器人包括球壳、关节、手爪、能源和控制系统，所述球壳分为左半球1和右半球7并采用非屏蔽材料制成，所述关节集成驱动器、减速器和编码器，关节2/6/9/13绕X轴方向旋转，关节3/4/5/10/12绕Y轴方向旋转，关节11绕Z轴方向旋转，关节2一端通过滑环和左半球1连接，关节6一端通过滑环与右半球7连接，所述关节9-13以及手爪构成一个三分支机械臂，所述手爪分为左手爪14和右手爪8，两个手爪上均安装有深度摄像头，所述手爪也可以换成小型麦克纳姆轮或其他末端执行器，所述能源和控制系统安装在球壳内表面，并通过滑环与各个关节、手爪和相机连接，该机器人有球形滚动、轮式滚动和腿式爬行3种运动模式。
本发明的运动原理为：
球形模式下，机器人处于封闭状态，关节9-13以及手爪8和手爪14构成的机械臂充当重摆，通过关节4可改变其短轴方向的角度，关节2和关节6均可作为长轴驱动电机，当其中一个关节出现故障时，球形状态下机器人仍能依靠另一个完好的关节运动。
滚动模式是依靠关节3和关节5相对旋转将关节4向上提升，由于关节3与关节4之间的连杆以及关节4和关节5之间的连杆等长且为刚性连杆，因此随着关节4提升球壳将被逐渐撑开，通过球壳内壁安装的微型陀螺仪可确定球壳打开是否垂直与地面接触，当球壳打开后机器人可实现左右半轮同步运动或差速运动，同时可使用机械臂进行对外操作任务。
腿式爬行模式是在球壳打开后，机械臂和左右半球配合构成一种4足爬行机器人，左右半球可实现左右方向移动，机械臂可实现前后方向移动，通过方向分解原理可知4足形态下可实现平面全方位爬行。
本发明的有点与效益：
本发明所述的球轮腿复合移动机器人，结构对称，内部全部采用模块化关节驱动，安装和后期维护更加方便简单，所构成机械臂可作为重摆、腿足和操作手使用，充分发挥载荷有效性；球形模式下机器人具有抗倾覆、体积小和密闭性好等优势；轮式模式相对于球式模式易于控制，不需考虑左右侧倾晃动的问题，轮式模式下，左右球壳可同步转动向前移动，可同向差速转动实现不同半径转弯，可等速反向转动实现原地换向；腿式模式下，可用于翻越崎岖坑洼障碍，适用于野外探险或灾害救援，越野能力强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1是轮腿模式主视图，此时机械臂仍处于球壳内，机器人处于纯轮式状态；
图2是轮腿模式俯视图，此时机械臂旋转到开合处，可用于对外操作或作为腿足支撑；
图3是轮腿模式对外操作侧视图；
图4是球形模式形态1主视图，该形态下球形机器人重心较低；
图5是球形模式形态2主视图，该形态下球形机器人重心偏上；
图6是轮腿模式串联结构图；
途中的附图标记为：1,7-球壳；2-6,9-13-关节；8,14-手爪。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
示意图1是轮腿模式主视图，展示了机器人的整体结构，包括球壳、关节、手爪、能源和控制系统，所述球壳分为左半球1和右半球7并采用非屏蔽材料制成，所述关节集成驱动器、减速器和编码器，关节2/6/9/13绕X轴方向旋转，关节3/4/5/10/12绕Y轴方向旋转，关节11绕Z轴方向旋转，关节2一端通过滑环和左半球1连接，关节6一端通过滑环与右半球7连接，所述关节9-13以及手爪构成一个三分支机械臂，所述手爪分为左手爪14和右手爪8，两个手爪上均安装有深度摄像头，所述手爪也可以换成小型麦克纳姆轮或其他末端执行器，所述能源和控制系统安装在球壳内表面，并通过滑环与各个关节、手爪和相机连接。
示意图2为轮腿模式俯视图，此时机械臂旋转至开合处，机械臂可根据需求在球壳内绕Z轴方向360°旋转，通过关节9-13可变换多种构型，当旋转至球壳开合处，通过变换构型，可实现对外操作、腿式支撑、多机器对接重构等功能。
示意图3为轮腿模式对外操作侧视图，此时机械臂作拾取动作，通过安装在手爪上的深度摄像头，对物体的距离、尺寸和位姿进行估计，手爪的进给运动通过球壳移动实现，再通过关节9和10调整手爪的姿态，实现物体抓取操作。
示意图4为球形模式形态1主视图，此时机械臂处于折叠状态平行于X轴，关节4处于最低点，关节4旋转可改变机械臂垂直方向角度，从而改变球形机器人内部质心位置，当机械臂通过关节11旋转至平行Y轴方向时，侧向摆动的空间将会更大，球形机器人转弯半径将会更小。其次，机械臂折叠状态可充当飞轮，通过关节11瞬时快速转动产生的惯性力，实现球形机器人原地方向转换。
示意图5为球形模式形态2主视图，球形模式下有多种初始构型，通过图5的初始形态，将机械臂旋转至与Y轴平行，之后再通过关节10和12将关节9和13旋转至球形机器人中心线以上，则实现球形机器人质心在上的构型变换，在该构型下，球形机器人的运动响应将更快。
图6为轮腿式串联结构示意图，通过多球对接重构可实现更高的负载移动能力和越障能力。
对于本领域的普通技术人员而言，根据发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的包含范围之内。

Claims (4)

1.一种球轮腿复合可对外操作移动机器人，其特征在于：包括球壳、关节、手爪、能源和控制系统，所述球壳分为左半球1和右半球7并采用非屏蔽材料制成，所述关节集成驱动器、减速器和编码器，关节2/6/9/13绕X轴方向旋转，关节3/4/5/10/12绕Y轴方向旋转，关节11绕Z轴方向旋转，关节2一端通过滑环和左半球1连接，关节6一端通过滑环与右半球7连接，所述关节9-13以及手爪构成一个三分支机械臂，所述手爪分为左手爪14和右手爪8，两个手爪上均安装有深度摄像头，所述手爪也可以换成小型麦克纳姆轮或其他末端执行器，所述能源和控制系统安装在球壳内表面，并通过滑环与各个关节、手爪和相机连接，该机器人有球形滚动、轮式滚动和腿式爬行3种运动模式。
2.如权利要求1所述的一种球轮腿复合可对外操作移动机器人，其特征在于：所述球形滚动模式下，机器人处于封闭状态，关节9-13以及手爪8和手爪14构成的机械臂充当重摆，通过关节4可改变其短轴方向的角度，关节2和关节6均可作为长轴驱动电机，当其中一个关节出现故障时，球形状态下机器人仍能依靠另一个完好的关节运动。
3.如权利要求1所述的球轮腿复合可对外操作移动机器人，其特征在于：所述轮式滚动模式是依靠关节3和关节5相对旋转将关节4向上提升，由于关节3与关节4之间的连杆以及关节4和关节5之间的连杆等长且为刚性连杆，因此随着关节4提升球壳将被逐渐撑开，通过球壳内壁安装的微型陀螺仪可确定球壳打开是否垂直与地面接触，当球壳打开后机器人可实现左右半轮同步运动或差速运动，同时可使用机械臂进行对外操作任务。
4.如权利要求1所述的一种球轮腿复合可对外操作移动机器人，其特征在于：所述腿式爬行模式是在球壳打开后，机械臂和左右半球配合构成一种4足爬行机器人，可应对坑洼崎岖的野外环境。
CN202110507107.5A 2021-05-10 2021-05-10 一种球轮腿复合可对外操作移动机器人 Active CN113212579B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110507107.5A CN113212579B (zh) 2021-05-10 2021-05-10 一种球轮腿复合可对外操作移动机器人

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110507107.5A CN113212579B (zh) 2021-05-10 2021-05-10 一种球轮腿复合可对外操作移动机器人

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113212579A true CN113212579A (zh) 2021-08-06
CN113212579B CN113212579B (zh) 2022-06-14

Family

ID=77094248

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110507107.5A Active CN113212579B (zh) 2021-05-10 2021-05-10 一种球轮腿复合可对外操作移动机器人

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113212579B (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114833843A (zh) * 2022-04-26 2022-08-02 西安理工大学 球形轮腿排爆机器人
CN114889718A (zh) * 2022-04-19 2022-08-12 北京邮电大学 一种变构型球臂一体化球形机器人
CN114939877A (zh) * 2022-05-18 2022-08-26 北京邮电大学 一种用于月球基地建造的可移动操作球形机器人
CN115284313A (zh) * 2022-08-01 2022-11-04 煤炭科学技术研究院有限公司 具备对外操作功能的机器人

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1817580A (zh) * 2006-03-15 2006-08-16 北京邮电大学 带有可伸缩手臂的球形行走机器人
US20080097644A1 (en) * 2004-11-02 2008-04-24 Rotundus Ab Ball Robot
CN101559794A (zh) * 2009-06-02 2009-10-21 北京邮电大学 履带式球形机器人
CN106272472A (zh) * 2016-09-22 2017-01-04 重庆邮电大学 一种变结构球形双臂搜救机器人
CN107635629A (zh) * 2016-05-19 2018-01-26 松下知识产权经营株式会社 机器人
CN109774807A (zh) * 2019-03-13 2019-05-21 北京邮电大学 基于超冗余机械臂的双工作模式可变质心高速滚动三驱动球形机器人
MX2017015648A (es) * 2017-12-04 2019-06-05 Inst Politecnico Nacional Mecanismo para la morfosis de un robot apodo.
CN111923025A (zh) * 2020-08-10 2020-11-13 浙江理工大学 一种具有两个操作模式的三分支并联机构

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080097644A1 (en) * 2004-11-02 2008-04-24 Rotundus Ab Ball Robot
CN1817580A (zh) * 2006-03-15 2006-08-16 北京邮电大学 带有可伸缩手臂的球形行走机器人
CN101559794A (zh) * 2009-06-02 2009-10-21 北京邮电大学 履带式球形机器人
CN107635629A (zh) * 2016-05-19 2018-01-26 松下知识产权经营株式会社 机器人
US20180154273A1 (en) * 2016-05-19 2018-06-07 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Robot
CN106272472A (zh) * 2016-09-22 2017-01-04 重庆邮电大学 一种变结构球形双臂搜救机器人
MX2017015648A (es) * 2017-12-04 2019-06-05 Inst Politecnico Nacional Mecanismo para la morfosis de un robot apodo.
CN109774807A (zh) * 2019-03-13 2019-05-21 北京邮电大学 基于超冗余机械臂的双工作模式可变质心高速滚动三驱动球形机器人
CN111923025A (zh) * 2020-08-10 2020-11-13 浙江理工大学 一种具有两个操作模式的三分支并联机构

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CHADIL, N.，PHADOONGSIDHI, M.，SUWANNASIT, K.，MANOONPONG, P.: "A Reconfigurable Spherical Robot", 《IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON ROBOTICS AND AUTOMATION 》 *
JEARANAISILAWONG, P.，LAKSANACHAROEN, S.，PIRIYAWONG,V.: "Design of a three-legged reconfigurable spherical shape robot", 《IEEE/ASME INTERNATIONAL CONFERENCE ON ADVANCED INTELLIGENT MECHATRONICS 》 *
叶平，孙汉旭: "具有冗余度的三分支空间机器人逆运动学分析", 《机械工程学报》 *
孙汉旭，赵伟，张延恒: "新型变结构球形机器人运动分析", 《机械工程学报》 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114889718A (zh) * 2022-04-19 2022-08-12 北京邮电大学 一种变构型球臂一体化球形机器人
CN114889718B (zh) * 2022-04-19 2024-02-09 北京邮电大学 一种变构型球臂一体化球形机器人
CN114833843A (zh) * 2022-04-26 2022-08-02 西安理工大学 球形轮腿排爆机器人
CN114939877A (zh) * 2022-05-18 2022-08-26 北京邮电大学 一种用于月球基地建造的可移动操作球形机器人
CN114939877B (zh) * 2022-05-18 2023-11-10 北京邮电大学 一种用于月球基地建造的可移动操作球形机器人
CN115284313A (zh) * 2022-08-01 2022-11-04 煤炭科学技术研究院有限公司 具备对外操作功能的机器人
CN115284313B (zh) * 2022-08-01 2023-11-14 煤炭科学技术研究院有限公司 具备对外操作功能的机器人

Also Published As

Publication number Publication date
CN113212579B (zh) 2022-06-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113212579B (zh) 一种球轮腿复合可对外操作移动机器人
JP3870257B2 (ja) オフセット回転関節を有するロボット
CN1644328A (zh) 小型轮履腿复合式移动机器人机构
CN111267989A (zh) 轮足式移动平台及轮足式移动机器人
CN102849140B (zh) 一种多运动模式仿生移动机器人
CN107745755B (zh) 一种具有越障功能的工业爬杆机器人
CN102773860B (zh) 抛掷式变结构球形机器人
CN114080301A (zh) 独立平移的同轴机器人臂和感知壳体
CN201313307Y (zh) 环境探测球形机器人
CN110421544A (zh) 一种电液混合驱动的双臂移动机器人
CN113753152A (zh) 一种三自由度全解耦并联机械腿腿部构型及四足机器人
KR20140111162A (ko) 험지 주행 가능한 다관절 로봇
Aoki et al. Mechanical design of three-wheeled lunar rover;“Tri-Star IV”
CN101417675B (zh) 一种微小型轮足复合式爬壁机器人机构
CN102642572B (zh) 复式三角连架可变构型履带式越障机构
CN109292017B (zh) 一种轮腿变换式的多足机器人
CN206263949U (zh) 一种三平两转五自由度并联机构
CN102476664A (zh) 轮足式爬壁机器人机构
CN106625591A (zh) 一种三平两转五自由度并联机构
AU2019100810A4 (en) Robot Obstacle Surmounting Mechanism
CN112092939B (zh) 轮腿驱动结合、多运动模态复合操作臂的四足机器人
CN113276977A (zh) 一种多自由度球形机器人
CN111438675A (zh) 机器人
CN110510024A (zh) 一种折展式变径球形机器人
Kang et al. ROBHAZ-DT2: Passive double-tracked mobile manipulator for explosive ordnance disposal

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant