CN113733059A - 一种少自由度并联变胞球状机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种少自由度并联变胞球状机器人，包括至少两个球状机器，至少两个球状机器并联设置；每一球状机器均包括球内驱动机构和花球，球内驱动机构安装在花球内，花球为魔术花球结构，花球外侧的外连接块上安装有球间连接机构，相邻两球状机器之间通过球间连接机构连接；每一球状机器的球内驱动机构均包括下小齿轮、杆二、大齿轮、主轴、上小齿轮、上滑块、杆一、上轴、舵机、下轴、杆三、下滑块。本发明通过曲柄机构及齿轮传动实现机器人的缩放，通过磁力连接实现机器人并联，进而完成机器人群体运动；通过对玩具市场中魔术花球的改良，采用与其相类似的结构搭建机器人骨架，在减小了机器人质量的同时提高了其运动性能。

Description

一种少自由度并联变胞球状机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种少自由度并联变胞球状机器人。

背景技术

在当代生活中，机器人在诸多恶劣复杂环境中代替人类完成任务，然而在应对某些特殊环境，如狭窄的管道、高温高压等，现有的轮式、履带式机器人难以应用。近年来，一种新型的变胞球形机器人受到了业界越来越多的关注。变胞球形机器人具有类似球形的外骨架，驱动机构、电子器件等安装在球体内能够有效防止外界冲击振动等对机器人造成损害，与传统机器人相比，变胞球形机器人在狭小、复杂的工作环境中能更好的完成工作。

目前大多数变胞球状机器人利用质量块、矢量推进器、陀螺仪、摆锤等驱动，均需要额外的复杂设备；例如，对于通过质量块驱动方式，利用质量块重力势能的改变驱动机器人运动，然而该结构对质量块位置精度要求较高，存在成本高，动力性能较差的缺陷，一定程度上限制了其应用。现有的变胞球状机器人难以应对较大的工作环境，工作效率低，同时使用多个机器人时实现任务目标的精准分配较为困难且难以巡回损坏的机器人，不利于其在市场上的推广。另外，市面上大多数球状机器人多采用封闭式外壳，虽然对内部器件保护性较好，但其质量大，对运动速度的影响较为明显，难以实现对机器人速度的精准控制，限制其应用领域。

发明内容

鉴于以上内容，有必要提供一种少自由度并联变胞球状机器人，以解决现有球状移动机器人成本高、动力性能较差、工作效率低、质量大的缺点。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种少自由度并联变胞球状机器人，包括至少两个球状机器，至少两个球状机器并联设置；每一球状机器均包括球内驱动机构和花球，所述球内驱动机构安装在花球内，所述花球为魔术花球结构，所述花球外侧的外连接块上安装有球间连接机构，相邻两球状机器之间通过球间连接机构连接；

每一球状机器的球内驱动机构均包括下小齿轮、杆二、大齿轮、主轴、上小齿轮、上滑块、杆一、上轴、舵机、下轴、杆三、下滑块；所述下小齿轮和上小齿轮分设在大齿轮的相对两侧，并且均与所述大齿轮啮合连接；所述下小齿轮套设在下轴上，所述下轴转动穿设杆二，其两端分设在所述杆二的相对两侧，所述下轴远离下小齿轮的一端连接杆三的一端，所述杆三的另一端安装下滑块，所述下滑块连接花球内侧的一内连接块；所述大齿轮套设在主轴上，所述主轴转动穿设杆二，其两端分设在所述杆二的相对两侧，所述主轴远离大齿轮的一端与舵机输出轴连接，所述舵机安装在杆二上；所述上小齿轮套设在上轴上，所述上轴转动穿设杆二，其两端分设在所述杆二的相对两侧，所述上轴远离上小齿轮的一端连接杆一的一端，所述杆一的另一端安装上滑块，所述上滑块连接花球内侧的另一内连接块，该另一内连接块与下滑块所连接的连接块关于主轴中心轴线对称设置。

优选的，所有球状机器的结构相同、尺寸相同。

优选的，所述球间连接机构包括带腔块和磁柱，所述带腔块具有圆柱体和矩形框，所述圆柱体内具有圆柱腔，所述圆柱腔内活动放置有磁柱，相邻两球状机器之间的球间连接机构通过磁柱的磁性吸合连接；所述矩形框位于圆柱体外侧，其具有用于套住所述花球外连接块的长方体腔。

优选的，所述花球主要由若干连接件和若干连接块组成，相邻两连接件之间通过连接块相连，所述内连接块安装在连接块朝向花球内侧的一侧上，所述外连接块安装在连接块朝向花球外侧的一侧上。

优选的，所述下小齿轮和上小齿轮关于大齿轮对称设置，两者结构相同、尺寸相同；所述下轴、主轴和上轴的中心轴线处于同一平面上；所述上轴与下轴结构相同、尺寸相同，所述杆一与杆三结构相同、尺寸相同，所述上滑块与下滑块结构相同、尺寸相同。

优选的，所述舵机的输出轴通过电机连盘连接主轴。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过杆一、杆二、杆三形成的曲柄机构实现机器人外形尺寸的缩放，通过磁力连接实现机器人并联，解决现有球状移动机器人成本高、动力性能较差、工作效率低的缺点，使得机器人群体具有较高的运动速度及方向精度，且机器人间易于连接，拆装方便，成本低。

2、本发明通过利用齿轮传动减小了单个机器人的尺寸，使得整体结构较为紧凑；再者，通过对玩具市场中魔术花球的改良，采用与其相类似的结构搭建机器人骨架，在减小了机器人质量的同时提高了其运动性能。

3、本发明的多个并联变胞球状机器人具有较高鲁棒性及可扩展性，且当部分机器人出现故障时可以更易于排除更换损坏的部分，降低维修成本。

附图说明

图1为本发明的两个球状机器并联时的展开状态连接示意图。

图2为本发明球内驱动机构的机械结构图。

图3为本发明花球展开状态的机械结构图。

图4为本发明球间连接机构的机械结构图。

图5为本发明球间连接机构的机械结构剖面图。

图6为本发明三个球状机器并联时系统运动分析的示意图。

图中主要元件符号说明如下：

图中，1-球内驱动机构、2-花球、3-球间连接机构,11-下小齿轮、12-杆二、13-大齿轮、14-主轴、15-上小齿轮、16-上滑块、17-杆一、18-上轴、19-舵机、110-电机连盘、111-下轴、112-杆三、113-下滑块、21-连接件、22-外连接块、23-内连接块、31-磁柱、32-带腔块。如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

请参阅图1至图6，在本发明的一种较佳实施方式中，一种少自由度并联变胞球状机器人，包括至少两个球状机器，至少两个球状机器并联设置；每一球状机器均包括球内驱动机构1和花球2，所述球内驱动机构1安装在花球2内，所述花球2为魔术花球2结构，所述花球2外侧的外连接块22上安装有球间连接机构3，相邻两球状机器之间通过球间连接机构3连接。在本实施方式中，所有球状机器的结构相同、尺寸相同；请参阅图4和图5，所述球间连接机构3包括带腔块32和磁柱31，所述带腔块32具有圆柱体和矩形框，所述圆柱体内具有圆柱腔，所述圆柱腔内活动放置有磁柱31，即，磁柱31在圆柱腔内可旋转，在本发明中，磁柱31优选为径向充磁，相邻两球状机器之间的球间连接机构3通过磁柱31的磁性吸合连接；所述矩形框位于圆柱体外侧，其具有用于套住所述花球2外连接块22的长方体腔。

请参阅图2，每一球状机器的球内驱动机构1均包括下小齿轮11、杆二12、大齿轮13、主轴14、上小齿轮15、上滑块16、杆一17、上轴18、舵机19、下轴111、杆三112、下滑块113。所述下小齿轮11和上小齿轮15分设在大齿轮13的相对两侧，并且均与所述大齿轮13啮合连接；所述下小齿轮11套设在下轴111上，所述下轴111转动穿设杆二12，其两端分设在所述杆二12的相对两侧，所述下轴111远离下小齿轮11的一端连接杆三112的一端，所述杆三112的另一端安装下滑块113，所述下滑块113连接花球2内侧的一内连接块23；所述大齿轮13套设在主轴14上，所述主轴14转动穿设杆二12，其两端分设在所述杆二12的相对两侧，所述主轴14远离大齿轮13的一端与舵机19输出轴连接，优选通过电机连盘110连接舵机19的输出轴，所述舵机19安装在杆二12上；所述上小齿轮15套设在上轴18上，所述上轴18转动穿设杆二12，其两端分设在所述杆二12的相对两侧，所述上轴18远离上小齿轮15的一端连接杆一17的一端，所述杆一17的另一端安装上滑块16，所述上滑块16连接花球2内侧的另一内连接块23，该另一内连接块23与下滑块113所连接的连接块关于主轴14中心轴线对称设置，即，下小齿轮11、大齿轮13和上小齿轮15位于杆二12的同一侧，舵机19、杆一17和杆三112位于杆二12的另一侧，通过舵机19提供的动力促使主轴14带动大齿轮13转动，大齿轮13再带动与其啮合的下小齿轮11、上小齿轮15转动，下小齿轮11通过下轴111驱动杆三112转动，杆三112带动下滑块113绕着下轴111转动，上小齿轮15通过上轴18驱动杆一17转动，杆一17带动上滑块16绕着上轴18转动，杆一17带动上滑块16转动的方向和杆三112带动下滑块113转动的方向相反，从而使得花球2在舵机19的作用下实现张紧和伸缩，利用花球2的张紧和伸缩，使得单个球状机器变大或者缩小，从而使得球状机器移动。

优选的，请参阅图3，所述花球2主要由若干连接件21和若干连接块组成，相邻两连接件21之间通过连接块相连，所述内连接块23安装在连接块朝向花球2内侧的一侧上，所述外连接块22安装在连接块朝向花球2外侧的一侧上。

进一步的，在本实施方式中，所述下小齿轮11和上小齿轮15关于大齿轮13对称设置，两者结构相同、尺寸相同；所述下轴111、主轴14和上轴18的中心轴线处于同一平面上；所述上轴18与下轴111结构相同、尺寸相同，所述杆一17与杆三112结构相同、尺寸相同，所述上滑块16与下滑块113结构相同、尺寸相同；所述杆一17和上滑块16之间为转动连接，杆三112和下滑块113之间也为转动连接。

请参阅图6，本发明的工作原理如下：以三个球状机器并联成少自由度并联变胞球状机器人为例，初始状态下，三个球状机器均处于缩小状态，将三个球状机器从左至右编号为A球、B球和C球。第一步，C球内的球内驱动机构1正转带动其花球2膨胀，C球形心向右发生位移，第二步，B球内的驱动机构正转带动其花球2膨胀，将A球、C球分别向左右两侧推动，第三步，B球、C球的球内驱动机构1反转带动其花球2收缩，A球受到B球反作用力，向B球、C球两者的方向运动，即完成ABC三球整体向右位移动作。

上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (6)

1.一种少自由度并联变胞球状机器人，包括至少两个球状机器，至少两个球状机器并联设置；其特征在于：每一球状机器均包括球内驱动机构和花球，所述球内驱动机构安装在花球内，所述花球为魔术花球结构，所述花球外侧的外连接块上安装有球间连接机构，相邻两球状机器之间通过球间连接机构连接；

每一球状机器的球内驱动机构均包括下小齿轮、杆二、大齿轮、主轴、上小齿轮、上滑块、杆一、上轴、舵机、下轴、杆三、下滑块；所述下小齿轮和上小齿轮分设在大齿轮的相对两侧，并且均与所述大齿轮啮合连接；所述下小齿轮套设在下轴上，所述下轴转动穿设杆二，其两端分设在所述杆二的相对两侧，所述下轴远离下小齿轮的一端连接杆三的一端，所述杆三的另一端安装下滑块，所述下滑块连接花球内侧的一内连接块；所述大齿轮套设在主轴上，所述主轴转动穿设杆二，其两端分设在所述杆二的相对两侧，所述主轴远离大齿轮的一端与舵机输出轴连接，所述舵机安装在杆二上；所述上小齿轮套设在上轴上，所述上轴转动穿设杆二，其两端分设在所述杆二的相对两侧，所述上轴远离上小齿轮的一端连接杆一的一端，所述杆一的另一端安装上滑块，所述上滑块连接花球内侧的另一内连接块，该另一内连接块与下滑块所连接的连接块关于主轴中心轴线对称设置。

2.如权利要求1所述的一种少自由度并联变胞球状机器人，其特征在于：所有球状机器的结构相同、尺寸相同。

3.如权利要求1所述的一种少自由度并联变胞球状机器人，其特征在于：所述球间连接机构包括带腔块和磁柱，所述带腔块具有圆柱体和矩形框，所述圆柱体内具有圆柱腔，所述圆柱腔内活动放置有磁柱，相邻两球状机器之间的球间连接机构通过磁柱的磁性吸合连接；所述矩形框位于圆柱体外侧，其具有用于套住所述花球外连接块的长方体腔。

4.如权利要求1所述的一种少自由度并联变胞球状机器人，其特征在于：所述花球主要由若干连接件和若干连接块组成，相邻两连接件之间通过连接块相连，所述内连接块安装在连接块朝向花球内侧的一侧上，所述外连接块安装在连接块朝向花球外侧的一侧上。

5.如权利要求1所述的一种少自由度并联变胞球状机器人，其特征在于：所述下小齿轮和上小齿轮关于大齿轮对称设置，两者结构相同、尺寸相同；所述下轴、主轴和上轴的中心轴线处于同一平面上；所述上轴与下轴结构相同、尺寸相同，所述杆一与杆三结构相同、尺寸相同，所述上滑块与下滑块结构相同、尺寸相同。

6.如权利要求1所述的一种少自由度并联变胞球状机器人，其特征在于：所述舵机的输出轴通过电机连盘连接主轴。

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