[发明专利]一种单元模块自主移动的半球可差动球形自重构机器人

说明书

本发明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。

应用领域

本发明涉及机器人领域，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。

背景技术

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。

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。

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。

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。

发明内容

本发明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。