[发明专利]一种能够越障的变结构球形机器人

说明书

技术领域

本发明涉及一种球形机器人。更明确地，本发明涉及一种对复杂地形具有运动适应能力的能够越障的变结构球形机器人。

背景技术

球形机器人因一般具有圆球形的外部结构形状而得名，是一类新型的移动机器人形态。不同于传统的轮式、足式机器人，球形机器人的主要特征优势在于，通过球形外壳的滚动实现基本运动，易于实现平坦地形下的全向运动，并具有较高的运动效率和运动速度；运动过程中，当机器人发生碰撞或从高处跌落时，封闭的球形外壳还能够有效保护机器人内部设备。

球形结构在具备上述技术优势的同时，却也将球形机器人的应用环境限制于平坦的地形环境。典型的情况是，对于依靠重心偏移来获得重力驱动力矩等常用的球形机器人驱动方式，其驱动力矩通常较小，使得机器人在遇到具有较多障碍物或较多地形起伏的非平坦地形环境时，容易失去运动能力而被卡在某个位置。针对球形机器人的这类缺陷，近年来国内外也已经提出很多种改进方案，例如：设计具有连续弹跳能力的运动结构帮助球形机器人越过障碍（专利号：ZL 201110296831.4 ）；设计增加腿肢体结构来帮助球形机器人在非平坦地形中运行（专利号：201310476310.6）等。这些改进方法的实施，均需要专门设计与之相配合的控制系统及算法。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术存在的缺陷提供一种能够越障的变结构球形机器人，能够在不借助复杂控制系统与控制方法的前提下，通过机器人自身的机械与电气驱动结构所具备的特征，实现机器人的越障动作，从而增强球形机器人的地形适应能力。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是： 

一种能够越障的变结构球形机器人，包括球壳、配重块水平偏移模块、滚动运动驱动模块、飞轮驱动模块和飞轮制动模块；其特征在于：所述各模块运动轴线与球壳的滚动运动轴线共线；所述配重块水平偏移模块位于球壳左侧腔内，并与球壳左侧壁相连接；所述滚动运动驱动模块位于球壳的右侧腔内，并与球壳的右侧壁相连接；所述飞轮驱动模块贯穿球壳左侧壁，并与左侧壁相连接；所述飞轮制动模块贯穿并连接于球壳的左右两侧壁上；所述配重块水平偏移模块内有第一第二伺服电机控制配重块在球壳内部沿球壳运动转轴的水平偏移，来控制球形机器人滚动运动转弯半径的大小；所述滚动运动驱动模块内有第一第二驱动电机控制球形机器人实现纯滚动运动模式和越障模式；所述飞轮驱动模块的结构为两个串联的连接滚动运动驱动模块和飞轮制动模块的行星轮系，在越障模式时，其配合滚动运动驱动模块实现对飞轮制动模块中的左右两个飞轮的加速储能；所述飞轮制动模块内有6只能瞬间制动飞轮组而展开的爪足，以实现飞轮组储备能量的瞬间爆发。

上述配重块水平偏移模块包括配重块驱动臂、第一伺服电机、第二伺服电机、第一轴承、第二轴承、滑键、配重块轴、配重块。其中配重块轴通过第一轴承与球壳转动连接在一起，使得配重块轴与球壳能轴向相对转动而不能轴向相对移动。其中滑键水平固定在配重块轴上，其中配重块套接在配重块轴和滑键上构成移动副。其中配重块驱动臂通过第二轴承铰接配重块，使得配重块驱动臂可以相对配重块轴向转动，但不能轴向相对移动。其中第一伺服电机与第二伺服电机对称固定安装在球壳左侧壁内壁上，两个电机的丝杠型输出轴与配重块驱动臂构成对称布置的螺旋传动副，使得同步控制这两个电机的旋转运动，即可实现配重块在球形机器人内部的水平偏移运动。

上述滚动运动驱动模块包括动力轴、第三轴承、第四轴承、第五轴承、第一驱动电机、第二驱动电机、第一电机固定架、第二电机固定架、预紧器、第一弹簧、第一驱动摩擦轮、第二驱动摩擦轮、第一驱动齿轮、第二驱动齿轮、第三驱动齿轮。其中动力轴通过第三轴承、第四轴承和第五轴与配重块轴和球壳右侧壁形成转动副连接，这三者之间可以轴向相对自由转动但不能轴向相对移动。其中第一驱动电机与第二驱动电机分别通过第一电机固定架和第二电机固定架对称固定在球壳右侧壁的内表面上，两个电机同步运行。其中第三驱动齿轮固定在动力轴上。其中第一驱动电机与第二驱动电机分别通过第一驱动齿轮和第二驱动齿轮同步驱动第三驱动齿轮，实现对动力轴的驱动。其中第二驱动摩擦轮固定安装在配重块轴的右端。其中第一驱动摩擦轮套接在动力轴上形成移动副，其只能相对于动力轴进行轴向移动而不能轴向转动。其中预紧器固定在动力轴上，并通过第一弹簧把第一驱动摩擦轮与第二驱动摩擦轮通过弹簧预紧力压紧在一起，形成动力轴到配重块轴的摩擦传动机构，该可调预紧力值记为F₁，第一驱动摩擦轮与第二驱动摩擦轮能够传递的最大摩擦力矩值记为T_1max。