一种单元模块自主移动的半球可差动球形自重构机器人制造技术

本发明专利技术专利提供了单元模块自主移动的半球可差动球形自重构机器人，所述球形机器人全新设计了同时满足球壳封闭和传感器工作条件的外部结构以及半球可差动驱动结构，使得单个球形机器人单元具备鲁棒精准的自主全向运动能力。在单个球形机器人运动的基础上将其模块化设计，结合了传统球形机器人和自重构模块化机器人的优势，通过主动对接接口、被动锁紧接口机构和摆动机构以及感知系统使得该球形机器人具备自主对接重构能力，多个球形机器人模块对接重新构型后可根据任务需要成为蛇形或轮腿式机器人等新构型，从而增强机器人通过性，机器人可以执行更复杂的协同作业任务。所述球形机器人将主要适用于灾难预防探测、排险救援等复杂工作场景。救援等复杂工作场景。救援等复杂工作场景。

【技术实现步骤摘要】
一种单元模块自主移动的半球可差动球形自重构机器人
[0001]应用领域
[0002]本专利技术涉及机器人领域，涉及球形机器人领域，尤其涉及一种单元模块自主移动的半球可差动球形自重构机器人，具体为以对称分布的左右差动半球壳作为驱动结构使得单元模块球形机器人可实现全方位运动，中间由一主框架将两侧球壳连接，主框架与左右球壳各自有一个自由度，中间框架既有隔离运动、保证两球壳运动不互相干涉的作用，也起到支撑整个机器人的作用。以具有摆动自由度的活动对接接口、固定主动对接接口、被动锁紧接口以及摆动驱动等为对接机构，以定位传感器、视觉等探测传感器构成感知系统，将球形机器人单元模块化设计，使其能够互相对接实现重构。

技术介绍

[0003]随着世界各国对国家安全、社会治安、灾难预防等公共事业的高度重视，以消防探测、排险救援、运输物资等为特征的灾害救援机器人的需求日益凸现。球形机器人具有良好的密封性，平衡性强且运动灵活，可以全向运动且不存在侧翻问题，而且可以通过滚动对冲击力进行有效地缓冲而保护内部结构，其在特定场景下具有显著应用优势，但灾备探测、排险救援等任务场景一般在非结构化动态位置环境中，需要执行任务的机器人具有更加机动灵活的运动能力和更强的适应性。
[0004]传统单一构型的球形机器人很难应对上述任务挑战，国内外学者和研究机构也对球形机器人进行了多种结构上的创新设计，例如申请号为CN201811561329.X的一种球形机器人，其通过球壳打开使用两个半球壳实现两轮驱动，两个半球壳呈打开状态，具备探测能力的同时支撑导轮与第一、第二驱动轮形成多点支撑增强了机器人运动能力和稳定性，但其依然是通过底盘重摆运动改变球形机器人质心实现全向运动的，且其球壳完全打开后，主框架及控制系统平台完全暴露，失去了球形机器人密闭的保护优势。申请号为CN201310331622.8的球形机器人事一种半球差动可伸缩式的球形机器人，通过十字形伸缩机构使得两个半球壳可以根据任务环境打开或闭合，通过第一、第二外壳半球壳体驱动电机位置横纵180度差别设置以及蜗轮蜗杆减速器机构设置实现两轮差动驱动，其对球形机器人的驱动、精准控制等方面进行了创新和改进，扩展了单个球形机器人的应用场景，但其依然不具备重构改变构型能力，且在任务中球壳封闭状态下不具备对外探测能力。
[0005]模块化自重构机器人，面对复杂环境和任务约束具有很强的适应能力，可以通过构型重构突破单体滚动，实现组合轮辐式行进、足式行走、蛇形行进等多种运动方式，从而快速灵活行进、跨越乱石障碍、越过壕沟、穿行或深入矿井等狭小空间。现有技术中，只有申请号为CN201610842050.3和CN202010078488.5的球形机器人提及了重构能力，其中第一种设计没有提及自主对接能力，第二种设计机器人不具备差动能力而且机器人的对外探测能力会被球壳限制，少有同时实现球形机器人高速灵活机动和主动对接重构的设计。
[0006]因此为了更好地赋予球形机器人更加全面的任务能力，通过将具备独立全向运动和探测能力的多个球形机器人以自重构方式组合为蛇形、轮腿式机器人等构型面对不同任务场景，可以综合两种机器人的优点并弥补缺点，高效解决任务。

技术实现思路

[0007]本专利技术提出一种单元模块自主移动的半球可差动球形自重构机器人设计，所述的球形自重构机器人将主要适用于灾难预防探测、排险救援等工作场景，其具有同时满足球壳封闭和传感器工作条件的外部结构以及半球可差动驱动结构，左右半球差动驱动使得单个球形机器人具有原地灵活转向能力，使得单个球形机器人单元具备稳定的全向运动能力，而且灵活性大大增强。
[0008]本专利技术提出一种单元模块自主移动的半球可差动球形自重构机器人设计，结合了传统球形机器人和自重构模块化机器人的优势，通过主动对接接口、被动锁紧接口机构和摆动机构以及感知系统使得该球形机器人具备自主对接重构能力，多个球形机器人模块对接重新构型后可根据任务需要成为蛇形或轮腿式机器人等新构型，从而增强机器人通过性，机器人可以执行更复杂的协同作业任务。
[0009]为达到上述目的，本专利技术采用以下解决方案：
[0010]本专利技术提出一种基于内外齿轮啮合传动直接驱动球壳作为驱动轮的差动驱动方式，这种方式传动精确，可解决传统球形机器人打滑的问题，使得球形机器人具有可精准控制的全方位运动能力和高机动性。
[0011]本专利技术提出一种球形机器人，其包括球壳、主框架、半球可差动驱动结构、对接机构和感知系统。所述球壳采用对称式分布，分为左右半球壳，左右半球壳直接作为球形机器人的驱动轮，分别由一个电机驱动。主框架作为机器人中心支撑框架，框架上固定电池、驱动电机、摆动机构、接口等以及感知系统传感器，主框架通过一个交叉滚子轴承连接左右半球壳但不随左右半球壳转动。单元球形机器人在空间直角坐标系六个方向上各有一个接口，其中三个为主动对接接口、另三个为被动锁紧接口，在机器人行进正前方有一对活动对接接口，具有摆动自由度。感知系统使用双目相机进行视觉环境感知，并实现建图与导航，使用GPS传感器进行位置定位，此外，加入了接触传感器等来完成对接过程中的定位、感知与锁紧确定，辅助完成对接过程。
[0012]所述差动驱动结构包含驱动电机、电机连接球内小齿轮、外齿轮圈，其中外齿轮圈与球壳为一体，电机带动小齿轮旋转产生动量，通过齿轮啮合传动到外齿轮圈驱动球壳，最终驱动球前进。
[0013]本专利技术提出了一种单元模块自主移动的半球可差动球形自重构机器人设计，其优点在于单个球形机器人拥有强于传统球形机器人的全向稳定运动能力，主框架可以外置相机等传感器，单个球形机器人作为模块对接后又能重构成为其他构型的机器人，使球形机器人功能大大拓展，应用领域大大拓宽。
附图说明
[0014]为了更加清楚的说明本专利技术的设计方案和实施方法，现将所需使用的附图做简要介绍。
[0015]图1是单元模块自主移动的半球可差动球形自重构机器人整体示意图。
[0016]图2是单元模块自主移动的半球可差动球形自重构机器人整体结构透视图。
[0017]图3是单元模块自主移动的半球可差动球形自重构机器人差动驱动及摆动对接结构图。
[0018]图4是单元模块自主移动的半球可差动球形自重构机器人结构设计爆炸图。
具体实施方式
[0019]为了更加清楚的讲解本专利技术的目的、技术方案及优点，下面结合附图及实施例，对本专利技术进行详细说明。应当说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0020]请参阅图2，图2是球形机器人的整体结构透视图，所述球形机器人包括左半球壳1与对应的外齿轮圈2、主框架3、正上方被动锁紧接口4、双目相机5、右半球壳6、右侧主动对接接口7、正下方主动对接接口8、差动驱动及摆动对接结构9、左侧被动锁紧接口10、电池组11。
[0021]所述球壳1、6为玻璃钢材质，两个球壳差动实质发挥两个轮子的功能，具有很好的韧性和强度。主框架3为铝合金材质，具有很好的强度和稳定性，两个额定电压24V的电池构成的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单元模块自主移动的半球可差动球形自重构机器人，其特征在于，设计了同时满足球壳封闭和传感器工作条件的外部结构以及半球可差动驱动结构，以一种基于内外齿轮啮合传动直接驱动球壳作为驱动轮的差动驱动方式，使得单个球形机器人单元具备稳定的全向运动能力；以摆动驱动、正交摆杆和接口为对接结构，通过主动对接接口、被动锁紧接口机构和摆动机构以及感知系统使得该球形机器人具备自主对接重构能力，多个球形机器人模块对接重新构型后可根据任务需要成为蛇形或轮腿式机器人等新构型，也可以通过群体堆叠翻越障碍。所述差动驱动结构包含差动前进驱动电机、驱动齿轮组、重摆以及交叉滚子轴承，驱动齿轮组与外齿轮圈啮合，而外齿轮圈与球壳为一体，驱动电机带动驱动齿轮组旋转产生动量，通过齿轮啮合传动到外齿轮圈驱动球壳，最终驱动球前进；所述对接结构包含盘型电机、减速器、电机套、正交接口摆杆、主、被动接口组成，实现球形机器人的对接与互相摆动。2.根据权利要求1所述一种单元模块自主移动的半球可差动球形自重构机器人，其球壳采用对称式分布，分为左右半球壳，左右半球壳直接作为球形机器人的驱动轮，分别由一个电机驱动，可以相对转动...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋荆洲，王赟，张睿，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：