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制造技术

本发明专利技术公开了一种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，其包括球壳、机械臂系统以及三驱动装置，其中所述球壳外表面有支撑机构，所述机械臂系统为20个模块化关节和两个机械手爪组成的超冗余自由度三分支机械臂系统，所述三驱动装置包括X轴电机、Y轴电机及机械臂系统根部关节电机。本发明专利技术将机械臂系统融入球形机器人滚动过程中，以机械臂系统根部关节作为第三驱动，可实现滚动模式和对外操作模式，其中滚动模式有两种控制方法，均可在输出力矩不变情况下实现速度微调整。该球形机器人结构紧凑，响应速度快，滚动高速灵活，提高了球形机器人结构和功能的可扩展性。

Double-mode variable-centroid high-speed rolling three-drive spherical robot based on Super-Redundant manipulator

The invention discloses a three-drive spherical robot with variable centroid and high speed rolling based on Super-Redundant manipulator, which comprises a spherical shell, a manipulator system and a three-drive device. The outer surface of the spherical shell has a supporting mechanism. The manipulator system consists of 20 modular joints and two manipulator claws, and the three-branch manipulator system has Super-Redundant degrees of freedom. The driving device includes X-axis motor, Y-axis motor and root joint motor of the manipulator system. The invention integrates the manipulator system into the rolling process of the spherical robot, and takes the root joint of the manipulator system as the third drive to realize the rolling mode and the external operation mode. There are two control methods for the rolling mode, which can realize the speed micro-adjustment under the condition of constant output torque. The spherical robot has compact structure, fast response speed and flexible rolling speed, which improves the expansibility of the structure and function of the spherical robot.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及一种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，具体地说是一种将超冗余自由度三分支机械臂系统作为第三驱动，既可通过机械臂位置及构型变换实现多控制模式的高速滚动，又可以展开球壳通过超冗余自由度三分支机械臂系统进行对外操作的球形机器人，属于机器人领域。
技术介绍
传统的机器人多用在标准的工厂化生产中，一般是一种简单可靠的应用场景。而在诸如管道、水下、矿山等条件恶劣，不可控因素较多的场景中，传统机器人存在着诸如移动困难、可靠性差等缺点，因而很难适应这些特殊场合的工作环境。而球形机器人由于其特殊的形状和较为封闭内部执行环境等优点，克服了这些问题。关于球形机器人国内外的研究已经进行了二十多年。最早设计出第一台真正意义上的球形机器人的是1996年荷兰的A.Halme等人。该球形机器人的驱动力矩是由安装在球壳内的一套单轮机构提供的，单轮紧贴球壳内壁滚动驱动球形机器人的运动。申请号为201810324495.1的一种球形机器人，该球形机器人球壳内部包括提供驱动力的主动机构和从动机构，其中主动机构的驱动轮和从动机构的从动轮均与球壳始终接触，由于主动机构的重量远大于从动机构，该球形机器人的驱动力通过主动机构产生，由较轻的从动机构带动球壳转动。申请号为201720818138.1的一种球形变胞机器人，该机器人包括支撑框架、伸缩组件、上肢组件和下肢组件，其中支撑框架上安装有上下导轨板、主舵机和齿轮传动机构等复杂组件，该机器人通过复杂的结构设计和传动，实现了球形机器人的变胞展开。申请号为201610887867.2的双驱动球形探测机器人，该球形机器人由透明材质球壳和球壳内的驱动装置组成，驱动力来自驱动装置上的左主动轮和右主动轮，另有导向装置，对驱动轮起导向作用。申请号为200810111880.4的三驱动球形机器人，该球形机器人球壳内表面设有轨道，轨道内表面设有环形齿条，一行走支架通过与所述齿条相啮合的行走轮与轨道相连，行走支架上安装轨道电机，另有长轴电机、短轴电机分别与转动支架和球框相连，短轴电机上安装重摆。通过轨道电机、长轴电机、短轴电机各自转动或配合转动，该球形机器人实现全向滚动。在上述球形机器人中，有的球形机器人在结构上进行了精简与改进，也有的球形机器人在功能上做了扩展，虽然它们在设计中不断创新和完善，但是现有三驱动球形机器人仍然存在着内部结构不稳定，实际应用性差的特点。而结构精简与改进后的球形机器人功能极其有限，只能完成简单的前后行走，缓慢转弯，不能满足实际应用中对于球形机器人功能和控制多样化的要求。实际应用中，球形机器人通常不仅仅要能走起来，而且对球形机器人的行走快速性，转弯快速性，容错性及辅助操作性等多种性能方面都提出了要求。现有的球形机器人技术中，带有机械臂的球形机器人主要将其机械臂应用在对外操作过程中，而在球形机器人的滚动过程中机械臂不起作用或者只起到有限的辅助作用，并且该辅助作用是以大大降低球形机器人滚动速度与灵活性为前提。同时这类球形机器人的驱动部分与机械臂部分为互相分离的两部分，这种设计导致球形机器人的结构复杂，进而限制了结构和功能的可扩展性。针对目前球形机器人设计存在的控制方法单一化、灵活性不足以及滚动过程中机械臂的功能性差等一系列问题，需进一步探索和研究一种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的设计。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种采用第三驱动方式与现有三驱动球形机器人不同的球形机器人方案，并可提供两种工作模式：滚动模式和对外操作模式，将机械臂融入球形机器人的滚动模式中，滚动模式下可采用两种控制方法，每种控制方法下可实现速度微调整，并将这些互相无交叉的功能合为一体。为实现上述的目的，专利技术提供的解决方案是：本专利技术提出一种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，包括球壳和壳内三驱动装置；所述球壳为碳纤维材质制成，包括对外操作模式下球壳外表面的支撑机构；所述壳内三驱动装置包括：X轴方向的电机及轴承支架、Y轴方向的电机及轴承支架、支撑框架、主框架、超冗余自由度三分支机械臂系统，其结构关系为：在X轴方向，该方向的电机及轴承支架分别将支撑框架内表面和主框架两端连接在一起；在Y轴方向，该方向的电机及轴承支架分别将球壳内表面和支撑框架外表面的两端连接在一起；X轴方向的电机与Y轴方向的电机始终相互垂直；超冗余自由度三分支机械臂系统通过机械臂系统根部关节电机安装在主框架中间位置；所述超冗余自由度三分支机械臂系统包括20个模块化关节和两个机械手爪；两个机械手爪分别安装在超冗余自由度三分支机械臂系统的末端。本专利技术的运动原理为：本专利技术所述的一种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，该机器人的双工作模式为滚动模式和对外操作模式。在对外操作模式下，球壳在XOY平面处自动张开，球壳进行自变形为机械臂系统操作提供支撑，球壳内的超冗余自由度三分支机械臂系统进行对外操作。滚动模式下，超冗余自由度三分支机械臂系统根部关节为球形机器人的第三驱动，该模式初始状态下，超冗余自由度三分支机械臂系统的左右臂姿态相同且关于YOZ平面对称。机械臂系统自身质量大，转动惯量大，具备传统球形机器人重摆的特点。通过X轴方向的电机和Y轴方向的电机驱动，球形机器人可沿平面作全方位滚动，通过机械臂系统根部关节电机，即球形机器人第三驱动电机的作用下，球形机器人可实现绕Z轴转动。在滚动模式的初始状态下，通过X轴方向的电机变换超冗余自由度三分支机械臂系统的位置，使三分支机械臂的主体位置由球形机器人XOY平面以下转换到XOY平面以上，实现机械臂系统的变位置功能。通过机械臂系统的变位置功能，球形机器人获得两种控制模式：配重驱动控制模式(机械臂系统在XOY平面以下)和倒立摆式的控制模式(机械臂系统在XOY平面以上)，两种不同的控制模式能够使球形机器人实现控制多样化，满足不同的任务需求。球形机器人不仅仅可以通过机械臂系统的变位置功能获得两种控制模式，在这两种控制模式下，还可以通过机械臂系统构型变换调节球形机器人机械臂系统的质心位置，使球形机器人在输出扭矩不变的情况下实现运动速度微调整。本专利技术的优点与效益：本专利技术所述的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，采用全新的第三驱动方式，将机械臂的功能融入到了球形机器人滚动过程中，解决了球形机器人的辅助机械臂功能性不足的问题。该三驱动球形机器人有两种工作模式，既可以实现展开球壳通过超冗余自由度三分支机械臂系统进行对外操作，又可以实现将超冗余自由度三分支机械臂系统作为第三驱动，通过机械臂系统变位置功能以及构型变换功能调节机器人质心位置的多控制方法下的高速滚动。这种设计不仅使得球形机器人响应速度更快，运动更加灵活，运动的容错性大大提高，而且也提高球形机器人结构和功能的可扩展性。附图说明图1为本专利技术滚动模式下的结构示意图。图2为本专利技术在对外操作模式下球壳展开并伸出支撑机构的结构示意图。图3为本专利技术对外操作模式下的结构示意图。图4为超冗余自由度三分支机械臂系统的结构示意图。图5为超冗余自由度三分支机械臂系统不同位置及构型情况下的质心位置示意图。图中的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种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，其特征在于：包括球壳和壳内三驱动装置；所述壳内三驱动装置包括：X轴方向的电机、X轴方向轴承支架、Y轴方向的电机、Y轴方向轴承支架、机械臂系统根部关节电机、支撑框架、主框架、超冗余自由度三分支机械臂系统，其结构关系为：在X轴方向，该方向的电机及轴承支架分别将支撑框架内表面和主框架两端连接在一起；在Y轴方向，该方向的电机及轴承支架分别将球壳内表面和支撑框架外表面的两端连接在一起；X轴方向的电机与Y轴方向的电机始终相互垂直；机械臂系统根部关节电机将超冗余自由度三分支机械臂系统安装在主框架中间位置。

【技术特征摘要】
1.一种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，其特征在于：包括球壳和壳内三驱动装置；所述壳内三驱动装置包括：X轴方向的电机、X轴方向轴承支架、Y轴方向的电机、Y轴方向轴承支架、机械臂系统根部关节电机、支撑框架、主框架、超冗余自由度三分支机械臂系统，其结构关系为：在X轴方向，该方向的电机及轴承支架分别将支撑框架内表面和主框架两端连接在一起；在Y轴方向，该方向的电机及轴承支架分别将球壳内表面和支撑框架外表面的两端连接在一起；X轴方向的电机与Y轴方向的电机始终相互垂直；机械臂系统根部关节电机将超冗余自由度三分支机械臂系统安装在主框架中间位置。2.如权利要求1所述的一种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，其特征在于：所述的球壳为碳纤维材质制成，包括球壳...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙汉旭，马龙，米明前，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京,11