一种变构型球臂一体化球形机器人制造技术

本发明专利技术公开一种变构型球臂一体球形化机器人。发明专利技术所述球形机器人可通过核心臂和球壳连接臂的作用，改变机器人构态为球式、双轮式、四足式和多足臂协作的形式，通过不同构态之间的变化，实现对外操作和灵活移动，本发明专利技术既兼顾了球形机器人的运动灵活、自我保护性好等优点，又克服球形机器人对外操作性差的缺点，同时又将轮式机器人的运动效率高，腿式机器人的越障能力强等优点融合进了球形机器人中，使发明专利技术所述机器人具有很强的环境适应能力。明所述机器人具有很强的环境适应能力。明所述机器人具有很强的环境适应能力。

【技术实现步骤摘要】
一种变构型球臂一体化球形机器人


[0001]本专利技术涉及一种变构型球臂一体化球形机器人，具体地说一种带有机械臂的球形机器人，可以通过结构变形的方式分别以球式、双轮式、四足式和多机协同的形式进行对外操作和运动，属于机器人领域。

技术介绍

[0002]球形机器人是近20年前才出现的一种新型移动机器人，是传统移动机器人的有益补充，其移动方式较为特殊，依靠内部驱动单元驱动球壳实现全方位移动，其机械结构、电子设备都置于球壳内部。现有的球形机器人主要是以整球滚动的形式进行移动，或在球体内部增加机构来提高球形机器人的通过性，大多数并未考虑对球体本身进行2次变形来增加机器人的运动能力。现有的可实现对外操作的球形机器人大多数是在球体内部加装机械臂，并未进一步考虑到加装的机械臂对于球形机器人的更深层次含义。
[0003]申请号为201720818138.1公开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。该专利融合了球体形态的快速滚动能力，以及仿生多肢体行走的复杂地形适应能力，但其并不具备对外操作能力。
[0004]申请号为202110393069.5公开了一种带臂球形探测机器人，该机器人通过舵机驱动力和重摆及机械臂的重力作用下进行滚动，通过变形组件调节球形壳体展开或闭合，在球壳打开情况下实现机械臂的对外操作。该专利在球体内加装的机械臂仅能在球壳打开时实现对外操作，并未考虑到加装的机械臂对于球形机器人本身的作用。
[0005]随着人类活动范围的扩大和探索阶段的深入，在一些复杂多变的环境中，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，单纯的球形移动机器人已经不利于实际应用。因此，本专利提出了一种变构型球臂一体化球形机器人，它可根据不同的环境进行形态结构变化，提高了机器人对环境的适应能力。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提出一种球形机器人设计方案，具体是以加装机械臂的方式，实现球形机器人在单球、双轮、四足、多球组合多种模式下的转换，实现机器人移动和对外探测等多种任务。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供的解决方案是：
[0008]所述机器人包括核心臂(1)、可展开球壳(2)、攀附机构(3)、球壳连接臂(4)、末端执行手爪(5)、以及十字科学载荷控制平台(6)。所述核心臂(1)是两条分别由7个球形可对接关节(100)所组成的多自由度机械臂，其球形关节包括对接机构(101)、编码器(102)、驱控一体装置(103)、电机(104)、减速器(105)及力矩传感器(106)等。其每个球形关节的对接机构均可连接其他球形关节、攀附机
构(3)、末端执行手爪(5)等，核心臂(1)首段关节通过对接机构(101)与十字科学载荷控制平台(6)相连接。所述十字科学载荷控制平台(6)上有电池、红外传感器、照明设备、雷达传感等元件和核心臂(1)和球壳连接臂(4)的控制主板等装置与控制系统，是整个球形机器人的核心，控制平台另一端连接有球壳连接臂(4),用于控制球壳的开合。所述可展开球壳(2)包括由碳纤维制成，内表面附有太阳能膜片的瓣状球壳，球壳与球壳连接臂(4)连接处有旋转折展机构(210)，可控制球壳的瓣状展开。
[0009]本专利技术的运动原理为：
[0010]球形构态下，机器人处于封闭状态，驱动原理是通过重摆改变球体重心位置以实现球体移动，具体是通过核心臂(1)来充当机器人的重摆，由核心臂的首关节旋转来改变机器人球形状态下的重心，以实现机器人的移动。
[0011]通过球壳连接臂(4)上的关节2(402)，关节3(403)的展开使左右两球壳相对开启，使机器人进入双轮模式，在双轮模式下，整体机器人状态类似于两轮平衡车，可以按照双轮自主平衡和差速驱动原理实现移动，并且球壳连接臂(4)上的关节4(402)可以根据需求和地形约束，决定球壳开合大小和相对角度，使球壳形成直立双轮、内八字双轮和外八字双轮，充分发挥双轮形态下的机器人运动优势。
[0012]在直立双轮模式的基础上，使两条核心臂(1)的末端加装的攀附机构(3)或末端执行手爪(5)分别支撑地面，同时由关节2(402)，关节3(403)的作用使核心平台相对地面抬升，进入四足模式，在四足模式下左右两球壳通过球壳连接臂上的关节2(402)，关节3(403)实现上下抬升，通过关节1(401)进行左右方向的移动，从而实现球壳的步态运动。
[0013]在直立双轮模式的基础上，将一端的核心臂伸出，与其他同一模式下的机器人通过末端的可对接关节(100)上的对接机构(101)相互连接，连接后将另一端的核心臂(1)作为支撑接地，即完成了多足臂协作模式，根据已有球形机器人的数量和任务需求，可进行3球或4球等多球协作。在多足臂协作模式可大幅提升机器人的对外操作能力，实现大斜面凹凸地形攀爬和更大范围环境感知。
[0014]可展开球壳(2)的瓣状球壳(200)由碳纤维制成周围贴有梯形密封条(201)，内表面附有太阳能膜片，球壳与球壳连接臂连接处有旋转折展机构(210)，球壳可通过旋转折展机构中的驱动电机(205)带动驱动齿轮(206)和从动齿轮(207)，实现对球壳的瓣状展开。
[0015]本专利技术的优点与效益：
[0016]本专利技术所述的一种变构型球臂一体化球形机器人，可以通过结构变形，使球形机器人变形为球式、双轮式、四足式和多机协同四种模式，既兼顾了球形机器人的运动灵活、自我保护性好等优点，又克服球形机器人对外操作性差的缺点，同时又将轮式机器人的运动效率高，腿式机器人的越障能力强等优点融合进了一个机器人中，使本专利技术所述机器人具有极强的环境适应能力，可以通过变形和多机协作的方式通过各种极端情况，同时其内部的核心机械臂用模块化关节搭建而成，具有非常强的变形开发潜力。所述中的可展开球壳是对普通球形机器人球壳的2次探索，依靠旋转折展机构和球壳连接臂的作用可使球壳内部的太阳能膜片始终面向阳光，解决了球形机器人运行的续航问题。
附图说明
[0017]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。
[0018]图1是所述球形机器人的整体结构内部示意图；
[0019]图2是机器人在球形构态下的示意图；
[0020]图3是双轮模式下的球形机器人的3种形态示意图；
[0021]图4是四足模式下的球形机器人的形态示意图；
[0022]图5是多足臂协作模式下3球协作和4球协作下的形态；
[0023]图6是球形可对接关节内部结构图；
[0024]图7末端执行手爪结构示意图；
[0025]图8是球壳展开示意图和旋转折展机构示意图；
[0026]图中的附图标记为：1
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核心臂2
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可展开球壳3
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攀附机构4
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种变构型球臂一体化球形机器人，其特征在于：包括核心臂(1)、可展开球壳(2)、攀附机构(3)、球壳连接臂(4)、末端执行手爪(5)、以及十字科学载荷控制平台(6)。所述可展开球壳(2)包括左右两个半球，每个半有6个瓣状球壳(200)组成，通过球壳连接臂(4)与十字科学载荷控制平台(6)相连接，球壳内部加装了太阳能膜片(203)可以为整球的运行提供能源支持。所述球壳连接臂(4)为4自由度机械臂，其首关节与核心臂(1)相连接，用于控制球壳的打开、关闭和球壳相对十字科学载荷控制平台(6)的位置与姿态。所述核心臂(1)是两条分别由7个球形可对接关节(100)所组成的多自由度机械臂，其球形可对接关节(100)包括对接机构(101)、编码器(102)、驱控一体装置(103)、电机(104)、减速器(105)及力矩传感器(106)等。其每个球形关节对接机构均可连接其他球形关节、攀附机构(3)、末端执行手爪(5)等。2.如权利要求1所述，变构型球臂一体化机器人的可展开球壳，其特征在于：球壳可通过展开机构中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙汉旭，王展彤，李明刚，马龙，孙萍，
申请(专利权)人：北京师范大学煤炭科学技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：