[发明专利]球-轮复合可变形移动机器人

说明书

技术领域

本发明设计一种移动机器人，具体地说是一种通过自身几何形状发生变化以实现球形和轮式机器人互换复合移动机器人。

背景技术

随着机器人技术的不断发展，机器人在执行社会服务、灾难救援、星球探测、战场侦查等任务时，所处的环境在不断地变化，这对移动机构本身的运动灵活性和环境适应性等特性提出了更高的要求。其中，可变形复合机器人能够根据所处环境的变化而改变自身的构形，因此其得到了广泛和迅速的发展和应用。轮腿式复合机器人融合了腿式的地形适应能力和轮式高速高效的特点，作业范围大，越障避障能力强，其典型代表有JPL的Go-for，赫尔辛基大学的Hybtor；腿-轮-履带组合式结合了轮式、腿式和履带的多模式行走结构，其代表有加拿大的AZIMUT。

球形机器人是一种新型的移动机器人。其造型新颖别致，具有一个球形或类球形的外壳，以滚动方式行走。球形机器人引起了越来越多的国内外研究人员的关注，并在工业、民用和军事上具有广泛的应用前景，是目前智能机器人研究领域的热点问题之一。

轮式移动机器人是一种发展比较早而且成熟的机器人，它可以使机器人能够在平坦路面高速稳定地运动，而且结构简单，控制方便。但是在野外凹凸不平或松软路面上工作时，轮式移动机器人就显得非常吃力。所以轮式机器人对路面状况的要求比较高。

但现有的移动机器人中没有将球形机器人和轮式机器人相结合的类型，没有将球形机器人和轮式机器人的运动特点结合起来，以适应多种不同的环境。

发明内容

本发明的目的是克服现有的技术不足，提供一种通过自身变形可实现球形和轮式机器人两种运动方式，并对各种复杂环境都有较强适应能力的移动机器人。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

球-轮复合可变形移动机器人，它包括球壳、球壳内部框架、球体驱动装置、球壳伸缩变形装置和轮式驱动装置。

可变形球壳是该球形机器人中的重要组成部分，通过其变形伸缩来改变机器人的运动方式。当球壳处于球体或类球体状态时，机器人通过球体滚动来实现运动；当球壳处于圆柱状或类圆柱状时，机器人通过轮式驱动来实现运动。

可变形球壳是由弹性材料组成，我们将扁平辐条状的弹性材料两端以均匀的间距固定在圆板一周，弹性材料的弯曲变形是通过电动推杆的拉伸来实现的，将连接弹性材料两端的圆板相对位置发生改变，这样使得机器人的外壳的几何形状发生变化，以此来实现机器人运动方式的改变。球形机器人在运动时，与地面接触的弹性材料能够承受机器人自身的重量，不发生太大的变形，不影响机器人的稳定运动。

当可变形球壳处于球体或类球体状态时，实现球体滚动的球壳内部的推进装置，它由长轴框架，重摆和两个驱动电机三部分组成。长轴电机装置在长轴框架内，长轴电机输出轴通过齿轮带动长轴框架和重摆相对球壳绕长轴发生相对转动；重摆安置在长轴中部，短轴电机固联于长轴框架上，短轴电机输出轴带动重摆相对内框绕短轴发生相对转动，使重摆能够绕互相垂直的两个轴转动，以此来实现球形机器人的全方位运动。

该机器人的轮式驱动采用的是四轮驱动方式，我们将长轴框架不伸缩的一端设为前端，在长轴平台板底部安装两个前端车轮和驱动电机，并在长轴平台板上放置车轮主控板和驱动板，后端车轮和电机固定在大套管的后部，四驱车轮可实现机器人的零半径转弯，运动灵活。当球壳的弹性材料被拉伸，整个机器人的外壳呈圆柱状或类圆柱状时，车轮通过弹性材料之间的间隙露出球壳外，接触到地面，就可以实现机器人的轮式运动。

本发明的运动原理为：

首先通过电动推杆电机的驱动完成球壳的收缩，使其处于球体或类球体状态，同时四个车轮都处在了球壳的内部；然后打开重摆短轴电机，由于自身重力的缘故，重摆将从与长轴水平的位置运动到与长轴垂直的位置，这样就完成了轮式机器人向球形机器人的角色变换，通过长轴电机和短轴电机的协调运动，就可以实现机器人的全方位行走。

要实现机器人的轮式运动，应先通过短轴电机将重摆转动至竖直向上的位置，将电机设置固定，这样重摆与长轴框架固联在一起；然后通过电动推杆完成球壳的拉伸，使其处于圆柱状或类圆柱状时，车轮处在球壳的外部，接触到地面，这样球形机器人变成了轮式机器人，打开轮式驱动装置，就可以实现机器人的全方位行走。

与现有的技术相比，本发明的优点就在于：

1、本发明所述的球-轮复合可变形机器人通过球壳伸缩装置可以实现球形机器人和轮式机器人角色之间的互换，对各种复杂的地理环境都有较强的适应能力。