CN212828757U - 一种全地形球形轮腿式机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型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，所述第一副球体的右侧设置有中心球体，所述中心球体的右侧设置有第二副球体，其中，所述第一副球体包括副球壳、轮腿复合机构、运载平台、副隔板，其中运载平台为阶梯形板状结构，与副球壳固定连接并在副球壳内部形成封闭的运载空间，副隔板与副球壳的端面固定连接。本实用新型所提供的全地形球形轮腿式机器人，采用了中心球体摩擦驱动直行的滚动行进方式，区别于其它传统球形机器人的行进方式，可以为球形机器人提供更为稳定和强大的动力。此外轮腿复合机构的轮式及腿式工作的辅助模式，也可以充分地提高球形机器人通过复杂地形的能力。

Description

一种全地形球形轮腿式机器人

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，具体为一种全地形球形轮腿式机器人。

背景技术

球形机器人是一种以球形或近似球形的结构为外壳的独立运动体，驱动系统位于球壳内部，在运动方式上以滚动运动为主。

传统的球形机器人由于自身结构及驱动方式上存在致命缺陷，造成了传统球形机器人的爬坡及越障性较差，难以适应各种复杂恶劣的地形，为此，我们提出一种全地形球形轮腿式机器人。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种全地形球形轮腿式机器人，以解决上述背景技术中提出的传统的球形机器人由于自身结构及驱动方式上存在致命缺陷，造成了传统球形机器人的爬坡及越障性较差，难以适应各种复杂恶劣的地形的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：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，所述第一副球体的右侧设置有中心球体，所述中心球体的右侧设置有第二副球体。

其中，所述第一副球体包括副球壳、轮腿复合机构、运载平台、副隔板。其中运载平台为阶梯形板状结构，与副球壳固定连接并在副球壳内部形成封闭的运载空间。副隔板与副球壳的端面固定连接。其中第一副球体和第二副球体结构完全相同。

优选的，所述轮腿复合机构包括安装支座、第一舵机、第一支撑腿、第二舵机、第二支撑腿、辅助电机、辅助驱动轮。其中安装支座固定连接在运载平台靠近中心球壳一侧，第一舵机固定在安装支座，第一支撑腿的一端与第一舵机的动力输出轴连接，第一舵机驱动第一支撑腿作定角度平面摆动，第二舵机固定于第一支撑腿末端，第二支撑腿的一端与第二舵机的动力输出轴连接，第二舵机驱动第二支撑腿作定角度平面摆动，辅助电机固定在第二支撑腿接地端，并驱动连接在第二支撑腿接地端处的辅助驱动轮转动。

优选的，所述中心球体包括主隔板、中心球壳、直行驱动机构、转向机构、支撑架、定位总成、轴向连管组、控制元件、蓄电池组件。主隔板与中心球壳的端面固定连接，中心球壳与两侧的主隔板构成封闭的腔体。其中主隔板的中心处还设置有中心孔座、主隔板轴承。中心球壳内部两侧设置有环槽轨道。

优选的，所述直行驱动机构包括车体、双轴输出直流电机、减速箱、轮轴、主驱动轮。其中双轴输出直流电机沿车体的长度方向固定安装在车体的中部，减速箱的壳体固定连接在双轴输出直流电机动力输出轴处的车体上，轮轴穿过车体的安装孔，在轮轴两端对称安装有两个主驱动轮，其中主驱动轮与环槽轨道作周向滑动连接。其中蓄电池组件固定连接在双轴输出直流电机两侧的车体处。

双轴输出直流电机的动力输出轴与减速箱的动力输入端连接，轮轴与减速箱的动力输出端连接，双轴输出直流电机通过减速箱将动力传输到轮轴上，进而带动主驱动轮在环槽轨道中作旋转运动。

在重力及控制元件内部陀螺仪的综合作用下，车体将始终保持水平状态，此时旋转的主驱动轮与环槽轨道将存在很大的滑动摩擦，因此主驱动轮给环槽轨道的摩擦力将会使得中心球壳转动，从而实现全地形球形轮腿式机器人的滚动直行。

其中，主驱动轮外表面应采用具有一定摩擦系数的材料，以增大与所述中心球壳两侧的环槽轨道之间的摩擦，从而确保动力的有效传递。

优选的，所述转向机构包括转向舵机、摆臂、重摆、舵机架。其中转向舵机通过舵机架与车体固定连接，摆臂的一端与转向舵机的动力输出轴连接，摆臂的另一端与重摆固定连接。

转向舵机接收到转向信号，驱动重摆作平面定角度摆动，进而改变全地形球形轮腿式机器人在沿轮轴方向的重心分布。从而依靠重心的偏移完成全地形球形轮腿式机器人在行进过程中的转向。

优选的，所述支撑架包括上层板和下层板，上层板和下层板由四个支撑柱相连接，其中四个支撑柱固定在所述车体的四个角上。控制元件固定安装于下层板上。

优选的，所述定位总成包括定位轮座、缓冲轴座、缓冲弹簧、定位轮、定位轮轴。缓冲轴座的一端与上层板固定连接，另一端穿过定位轮座的中心孔并与其作轴向滑动连接。缓冲弹簧空套在缓冲轴座上，其两端分别与定位轮座的下底面和上层板的上顶面作接触连接。缓冲轮轴一端固定于定位轮座上，另一端连接定位轮，定位轮的轮缘与中心球壳的内壁接触。

在缓冲弹簧的作用下，定位总成将直行驱动机构柔性固定于中心球壳内，同时可以有效地缓冲由于震动甚至跌落所对全地形球形轮腿式机器人内部工作装置造成的影响。

优选的，所述轴向连管组包括左连管、右连管、连管支座，其中连管支座固定在车体上，左连管穿过主隔板的中心孔座，并通过主隔板轴承与主隔板作转动连接，左连管的一端固定连接在连管支座上，另一端与副隔板的中心座固定连接。右连管与左连管关于车体的纵向中心面对称，其中右连管的结构和安装形式与左连管完全相同。

轴向连管组将两侧的副球体与内部的直行驱动机构所固联，并且所形成的固联体整体可在主隔板轴承的辅助下相对于中心球壳转动。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型所提供的全地形球形轮腿式机器人，采用了中心球体摩擦驱动直行的滚动行进方式，区别于其它传统球形机器人的行进方式，可以为球形机器人提供更为稳定和强大的动力。此外轮腿复合机构的轮式及腿式工作的辅助模式，也可以充分地提高球形机器人通过复杂路况的能力。

2.本实用新型所提供的全地形球形轮腿式机器人，两侧副球体所构成的运载平台可以充分地缓解由于行走机构过分占据中心球体内部空间，所造成的相关探测设备无法搭载的问题，有效地提升了球形机器人作为运载工具的可开发性。

3.本实用新型所提供的全地形球形轮腿式机器人，运动高效、灵活、稳定、适应性强、密封性好，全地形球形轮腿式机器人作为球形机器人与轮腿式机器人的巧妙结合，其仍然具有球形机器人相较于传统移动类机器人所具有的鲜明优势。

4.两侧副球体和中心球体之间的连接利用了轴承连管机构，一方面统一了副球体和中心球体的电路，另外一方面也巧妙的将副球体和中心球体相互分离，消除了中心球体滚动对副球体及其内部设备的所造成的干扰。

本机器人设置有三种运动模式，通过切换不同的运动姿态使机器人能够适应各种复杂的地形，从而具备强大的通过性。具体的运行模式如下：球形滚动模式，中心球体滚动为主运动，可完成球形轮腿式机器人的直行及行进中转向。

球形滚动加轮腿复合机构腿式前进模式，轮腿复合机构接地端的辅助驱动轮被锁止，步足式配合球形滚动可实现全地形球形轮腿式机器人的越障。

球形滚动加轮腿复合机构轮式前进模式，轮腿复合机构接地端的辅助驱动轮工作。当两侧接地辅助驱动轮的转向与中心球体滚动同向时，可辅助全地形球形轮腿式机器人越障。当两侧接地辅助驱动轮的转向与中心球体滚动反向时，则可辅助全地形球形轮腿式机器人实现减速或定点精准停车。当两侧接地辅助驱动轮以不同的方向转动时，则可以形成差速转向，辅助全地形球形轮腿式机器人实现原地360度转向。

附图说明

图1是本实用新型提供的一种全地形球形轮腿式机器人的总体结构示意图；

图2是本实用新型提供的一种全地形球形轮腿式机器人的全剖示意图；

图3是本实用新型提供的一种全地形球形轮腿式机器人的轮腿复合机构结构示意图；

图4是本实用新型提供的一种全地形球形轮腿式机器人的中心球体剖面示意图；

图5是本实用新型提供的一种全地形球形轮腿式机器人的直行驱动机构及定位总成示意图；

图6是本实用新型提供的一种全地形球形轮腿式机器人的转向机构示意图。

图中：1、第一副球体；2、中心球体；3、第二副球体；11、副球壳； 12、轮腿复合机构；13、运载平台；14、副隔板；21、主隔板；22、中心球壳；23、直行驱动机构；24、转向机构；25、支撑架；26、定位总成；27、轴向连管组；28、控制元件；29、蓄电池组件；121、安装支座；122、第一舵机；123、第一支撑腿；124、第二舵机；125、第二支撑腿；126、辅助电机；127、辅助驱动轮；141、中心座；211、中心孔座；212、主隔板轴承； 221、环槽轨道；231、车体；232、双轴输出直流电机；233、减速箱；234、轮轴；235、主驱动轮；241、转向舵机；242、摆臂；243、重摆；251、上层板；252、下层板；253、四个支撑柱；261、定位轮座；262、缓冲轴座；263、缓冲弹簧；264、定位轮；265、定位轮轴；271、左连管；272、右连管；273、连管支座。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-6，本实用新型提供一种技术方案：一种全地形球形轮腿式机器人，包括第一副球体1、中心球体2和第二副球体3，第一副球体1的右侧设置有中心球体2，中心球体2的右侧设置有第二副球体3。

其中，第一副球体1包括副球壳11、轮腿复合机构12、运载平台13、副隔板14。其中运载平台13为阶梯形板状结构，与副球壳11固定连接并在副球壳11内部形成封闭的运载空间。副隔板14与副球壳11的端面固定连接。其中第一副球体1和第二副球体3结构完全相同。

轮腿复合机构轮腿复合机构12包括安装支座121、第一舵机122、第一支撑腿123、第二舵机124、第二支撑腿125、辅助电机126、辅助驱动轮127。其中安装支座121固定连接在运载平台13靠近中心球壳22一侧，第一舵机 122固定在安装支座121上，第一支撑腿123的一端与第一舵机122的动力输出轴连接，第一舵机122驱动第一支撑腿123作定角度平面摆动，第二舵机 124固定于第一支撑腿123末端，第二支撑腿125的一端与第二舵机124的动力输出轴连接，第二舵机124驱动第二支撑腿125作定角度平面摆动，辅助电机126固定在第二支撑腿125接地端，并驱动连接在第二支撑腿125接地端处的辅助驱动轮127转动。

中心球体2包括主隔板21、中心球壳22、直行驱动机构23、转向机构 24、支撑架25、定位总成26、轴向连管组27、控制元件28、蓄电池组件29。主隔板21与中心球壳22的端面固定连接，中心球壳22与两侧的主隔板21 构成封闭的腔体。其中主隔板21的中心处还设置有中心孔座211、主隔板轴承212。中心球壳22内部两侧设置有环槽轨道221。

直行驱动机构23包括车体231、双轴输出直流电机232、减速箱233、轮轴234、主驱动轮235。其中双轴输出直流电机232沿车体231的长度方向固定安装在车体231的中部，减速箱233的壳体固定连接在双轴输出直流电机 232动力输出轴处的车体上，轮轴234穿过车体231的安装孔，在轮轴234两端对称安装有两个主驱动轮235，其中主驱动轮235与环槽轨道221作周向滑动连接。其中蓄电池组件29固定连接在双轴输出直流电机232两侧的车体231 处。

双轴输出直流电机232的动力输出轴与减速箱233的动力输入端连接，轮轴234与减速箱233的动力输出端连接，双轴输出直流电机232通过减速箱233将动力传输到轮轴234上，进而带动主驱动轮235在环槽轨道221中作旋转运动。

在重力及控制元件28内部陀螺仪的综合作用下，车体231将始终保持水平状态，此时旋转的主驱动轮235与环槽轨道221将存在很大的滑动摩擦，因此主驱动轮235给环槽轨道221的摩擦力将会使得中心球壳22转动，从而实现全地形球形轮腿式机器人的滚动直行。

其中，主驱动轮235外表面应采用具有一定摩擦系数的材料，以增大与中心球壳两侧的环槽轨道221之间的摩擦，从而确保动力的有效传递。

转向机构24包括转向舵机241、摆臂242、重摆243、舵机架244。其中转向舵机241通过舵机架244与车体231固定连接，摆臂242的一端与转向舵机241的动力输出轴连接，摆臂242的另一端与重摆243固定连接。

转向舵机23接收到转向信号，驱动重摆243作平面定角度摆动，进而改变全地形球形轮腿式机器人在沿轮轴234方向的重心分布。从而依靠重心的偏移完成全地形球形轮腿式机器人在行进过程中的转向。

支撑架25包括上层板251和下层板252，上层板251和下层板252由四个支撑柱253相连接，其中四个支撑柱固定在车体231的四个角上。控制元件28固定安装于下层板252上。

定位总成26包括定位轮座261、缓冲轴座262、缓冲弹簧263、定位轮264、定位轮轴265。缓冲轴座262的一端与上层板251固定连接，另一端穿过定位轮座261的中心孔并与其作轴向滑动连接。缓冲弹簧263空套在缓冲轴座262上，其两端分别与定位轮座261的下底面和上层板251的上顶面作接触连接。定位轮轴265一端固定于定位轮座261上，另一端连接定位轮264，定位轮264的轮缘与中心球壳22的内壁接触。

在缓冲弹簧263的作用下，定位总成26将直行驱动机构23柔性固定于中心球壳22内，同时可以有效地缓冲由于震动甚至跌落所对全地形球形轮腿式机器人内部工作装置造成的影响。

轴向连管组27包括左连管271、右连管272、连管支座273，其中连管支座273固定在车体231上，左连管271穿过主隔板21的中心孔座211，并通过主隔板轴承212与主隔板21作转动连接，左连管271的一端固定连接在连管支座273上，另一端与副隔板14的中心座141固定连接。右连管272与左连管271关于车体231的纵向中心面对称，其中右连管272的结构和安装形式与左连管271完全相同。

轴向连管组27将两侧的副球体与内部的直行驱动机构所固联，并且所形成的固联体整体可在主隔板轴承212的辅助下相对于中心球壳22转动。

工作原理：对于这类的全地形球形轮腿式机器人分别有球形滚动模式，中心球体2滚动为主运动，可完成球形轮腿式机器人的直行及行进中转向。

球形滚动加轮腿复合机构12腿式前进模式，轮腿复合机构12接地端的辅助驱动轮127被锁止，步足式配合球形滚动可实现全地形球形轮腿式机器人的越障。

球形滚动加轮腿复合机构12轮式前进模式，轮腿复合机构12接地端的辅助驱动轮127工作。当两侧接地辅助驱动轮127的转向与中心球体2滚动同向时，可辅助全地形球形轮腿式机器人越障。当两侧接地辅助驱动轮127 的转向与中心球体2滚动反向时，则可辅助全地形球形轮腿式机器人实现减速或定点精准停车。当两侧接地辅助驱动轮127以不同的方向转动时，则可以形成差速转向，辅助全地形球形轮腿式机器人实现原地360度转向。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种全地形球形轮腿式机器人，包括第一副球体(1)、中心球体(2)和第二副球体(3)，其特征在于：所述第一副球体(1)的右侧设置有中心球体(2)，所述中心球体(2)的右侧设置有第二副球体(3)；

其中，所述第一副球体(1)包括副球壳(11)、轮腿复合机构(12)、运载平台(13)、副隔板(14)；其中运载平台(13)为阶梯形板状结构，与副球壳(11)固定连接并在副球壳(11)内部形成封闭的运载空间；副隔板(14)与副球壳(11)的端面固定连接；其中第一副球体(1)和第二副球体(3)结构完全相同。

2.根据权利要求1所述的一种全地形球形轮腿式机器人，其特征在于：所述轮腿复合机构(12)包括安装支座(121)、第一舵机(122)、第一支撑腿(123)、第二舵机(124)、第二支撑腿(125)、辅助电机(126)、辅助驱动轮(127)；其中安装支座(121)固定连接在运载平台(13)靠近中心球壳(22)一侧，第一舵机(122)固定在安装支座(121)上，第一支撑腿(123)的一端与第一舵机(122)的动力输出轴连接，第一舵机(122)驱动第一支撑腿(123)作定角度平面摆动，第二舵机(124)固定于第一支撑腿(123)末端，第二支撑腿(125)的一端与第二舵机(124)的动力输出轴连接，第二舵机(124)驱动第二支撑腿(125)作定角度平面摆动，辅助电机(126)固定在第二支撑腿(125)接地端，并驱动连接在第二支撑腿(125)接地端处的辅助驱动轮(127)转动。

3.根据权利要求1所述的一种全地形球形轮腿式机器人，其特征在于：所述中心球体(2)包括主隔板(21)、中心球壳(22)、直行驱动机构(23)、转向机构(24)、支撑架(25)、定位总成(26)、轴向连管组(27)、控制元件(28)、蓄电池组件(29)；

其中主隔板(21)与中心球壳(22)的端面固定连接，中心球壳(22)与两侧的主隔板(21)构成封闭的腔体；其中主隔板(21)的中心处还设置有中心孔座(211)、主隔板轴承(212)；中心球壳(22)内部两侧设置有环槽轨道(221)。

4.根据权利要求3所述的一种全地形球形轮腿式机器人，其特征在于：所述直行驱动机构(23)包括车体(231)、双轴输出直流电机(232)、减速箱(233)、轮轴(234)、主驱动轮(235)；其中双轴输出直流电机(232)沿车体(231)的长度方向固定安装在车体(231)的中部，减速箱(233)的壳体固定连接在双轴输出直流电机(232)动力输出轴处的车体上，轮轴(234)穿过车体(231)的安装孔，在轮轴(234)两端对称安装有两个主驱动轮(235)，其中主驱动轮(235)与环槽轨道(221)作周向滑动连接；其中蓄电池组件(29)固定连接在双轴输出直流电机(232)两侧的车体(231)处；

双轴输出直流电机(232)的动力输出轴与减速箱(233)的动力输入端连接，轮轴(234)与减速箱(233)的动力输出端连接，双轴输出直流电机(232)通过减速箱(233)将动力传输到轮轴(234)上，进而带动主驱动轮(235)在环槽轨道(221)中作旋转运动；

在重力及控制元件(28)内部陀螺仪的综合作用下，车体(231)将始终保持水平状态，此时旋转的主驱动轮(235)与环槽轨道(221)将存在很大的滑动摩擦，因此主驱动轮(235)给环槽轨道(221)的摩擦力将会使得中心球壳(22)转动，从而实现全地形球形轮腿式机器人的滚动直行；

其中，主驱动轮(235)外表面应采用具有一定摩擦系数的材料，以增大与所述中心球壳两侧的环槽轨道(221)之间的摩擦，从而确保动力的有效传递。

5.根据权利要求3所述的一种全地形球形轮腿式机器人，其特征在于：所述转向机构(24)包括转向舵机(241)、摆臂(242)、重摆(243)、舵机架(244)；其中转向舵机(241)通过舵机架(244)与车体(231)固定连接，摆臂(242)的一端与转向舵机(241)的动力输出轴连接，摆臂(242)的另一端与重摆(243)固定连接；

转向舵机(241)接收到转向信号，驱动重摆(243)作平面定角度摆动，进而改变全地形球形轮腿式机器人在沿轮轴(234)方向的重心分布；从而依靠重心的偏移完成全地形球形轮腿式机器人在行进过程中的转向。

6.根据权利要求4所述的一种全地形球形轮腿式机器人，其特征在于：所述支撑架(25)包括上层板(251)和下层板(252)，上层板(251)和下层板(252)由四个支撑柱(253)相连接，其中四个支撑柱固定在所述车体(231)的四个角上；控制元件(28)固定安装于下层板(252)上。

7.根据权利要求3所述的一种全地形球形轮腿式机器人，其特征在于：所述定位总成(26)包括定位轮座(261)、缓冲轴座(262)、缓冲弹簧(263)、定位轮(264)、定位轮轴(265)；缓冲轴座(262)的一端与上层板(251)固定连接，另一端穿过定位轮座(261)的中心孔并与其作轴向滑动连接；缓冲弹簧(263)空套在缓冲轴座(262)上，其两端分别与定位轮座(261)的下底面和上层板(251)的上顶面作接触连接；定位轮轴(265)一端固定于定位轮座(261)上，另一端连接定位轮(264)，定位轮(264)的轮缘与中心球壳(22)的内壁接触；

在缓冲弹簧(263)的作用下，定位总成(26)将直行驱动机构(23)柔性固定于中心球壳(22)内，同时可以有效地缓冲由于震动甚至跌落所对全地形球形轮腿式机器人内部工作装置造成的影响。

8.根据权利要求3所述的一种全地形球形轮腿式机器人，其特征在于：所述轴向连管组(27)包括左连管(271)、右连管(272)、连管支座(273)，其中连管支座(273)固定在车体(231)上，左连管(271)穿过主隔板(21)的中心孔座(211)，并通过主隔板轴承(212)与主隔板(21)作转动连接，左连管(271)的一端固定连接在连管支座(273)上，另一端与副隔板(14)的中心座(141)固定连接；右连管(272)与左连管(271)关于车体(231)的纵向中心面对称，其中右连管(272)的结构和安装形式与左连管(271)完全相同；

轴向连管组(27)将两侧的副球体与内部的直行驱动机构所固联，并且所形成的固联体整体可在主隔板轴承(212)的辅助下相对于中心球壳(22)转动。

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