[发明专利]一种球轮腿复合可对外操作移动机器人

说明书

本发明公开一种球轮腿复合可对外操作移动机器人，其中包括球壳、关节、手爪以及能源和控制系统，所述球壳采用非屏蔽材料，所述关节集成驱动器、减速器和编码器，所述手爪上安装微型深度摄像头。在球形模式下，机器人处于封闭状态，相当于重摆驱动球形移动机器人；在轮腿模式下，机器人相对于一个两轮平衡车，当机械臂作用于地面该机器人可作为轮腿复合移动机器人。关节2和6用于驱动机器人滚动，关节3和5用于实现机器人球‑轮结构变形，关节4用于改变球形模式下的重心位置以实现转弯，关节11为机械臂根部旋转关节，在球形模式下可作为飞轮驱动电机，在轮式模式下可将机械臂旋转到球壳开合处用于机械臂对外操作，手爪8和14可用于对外操作或作为翻越障碍时的腿部支撑。该机器人可实现多种模式运动，环境适应性强，可实现对外操作，扩展了移动机器人的结构和功能内涵。

技术领域

本发明涉及一种球轮腿复合可对外操作移动机器人，具体地说可分别通过球式、轮式和腿式进行运动，属于机器人领域。

背景技术

球式、轮式和腿式移动机器人各有优劣，适用于不同的工作场景，目前星球表面探测主要使用的是轮腿式移动机器人，球形移动机器人以其密闭性和全方位运动特性被用于军事侦察等领域。申请号CN202020587103.3公开了一种全地形球形轮腿式机器人，包括第一副球体、中心球体和第二副球体。申请号201910188184.4设计了一种由三分支机械臂作为第三驱动球形机器人，包括了框架、支撑机构和三分支机械臂。申请CN201310331622.8公开的一种半球差动可伸缩式球形机器人包括了丝杠机构、蜗轮蜗杆机构等。

在现有公开文献中，球形机器人结构和功能得到了改进和扩展，但有的结构不对称无法一边运动一边对外操作，有的已经失去真正意义上的球形结构，有的引入传动机构过多布局不够紧凑对球壳内部空间利用不充分。在家庭服务、军事侦察、星球探测等领域中，都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。

为进一步改进移动机器人的结构和功能，需研究一种可实现多种运动模式和对外操作的移动机器人。

发明内容

本发明目的在于提出一种多种运动方式复合的可对外操作移动机器人方案，可实现球式、轮式和腿式三种运动方式，在轮式和腿式模式下可实现对外操作任务。

为实现上述目的，本发明提供的解决方案是：

所述机器人包括球壳、关节、手爪、能源和控制系统，所述球壳分为左半球1和右半球7并采用非屏蔽材料制成，所述关节集成驱动器、减速器和编码器，关节2/6/9/13绕X轴方向旋转，关节3/4/5/10/12绕Y轴方向旋转，关节11绕Z轴方向旋转，关节2一端通过滑环和左半球1连接，关节6一端通过滑环与右半球7连接，所述关节9-13以及手爪构成一个三分支机械臂，所述手爪分为左手爪14和右手爪8，两个手爪上均安装有深度摄像头，所述手爪也可以换成小型麦克纳姆轮或其他末端执行器，所述能源和控制系统安装在球壳内表面，并通过滑环与各个关节、手爪和相机连接，该机器人有球形滚动、轮式滚动和腿式爬行3种运动模式。

本发明的运动原理为：

球形模式下，机器人处于封闭状态，关节9-13以及手爪8和手爪14构成的机械臂充当重摆，通过关节4可改变其短轴方向的角度，关节2和关节6均可作为长轴驱动电机，当其中一个关节出现故障时，球形状态下机器人仍能依靠另一个完好的关节运动。

滚动模式是依靠关节3和关节5相对旋转将关节4向上提升，由于关节3与关节4之间的连杆以及关节4和关节5之间的连杆等长且为刚性连杆，因此随着关节4提升球壳将被逐渐撑开，通过球壳内壁安装的微型陀螺仪可确定球壳打开是否垂直与地面接触，当球壳打开后机器人可实现左右半轮同步运动或差速运动，同时可使用机械臂进行对外操作任务。

腿式爬行模式是在球壳打开后，机械臂和左右半球配合构成一种4足爬行机器人，左右半球可实现左右方向移动，机械臂可实现前后方向移动，通过方向分解原理可知4足形态下可实现平面全方位爬行。