專利名稱：多運動態球形機器人的制作方法
技術領域：
本發明涉及移動機器人領域，尤其涉及多運動態球形機器人。
背景技術：
球形機器人因具有小巧、輕便、方便攜帶、運動靈活、功能多樣等顯著優點，能過 滿足在防爆、反恐、救援等多種領域的需要，從而引起了眾多國家的重視，紛紛投入資 金和時間對該類機器人技術展開了研究，并且已取得了一定研究成果。
1996年，芬蘭赫爾辛基工業大學自動化技術實驗室的首次設計了一種球形機器人，
由一球殼和球內滾動單輪機構組成，依靠體內電機結合偏心力驅動。該結構出于單輪驅
動局限性，無法實現系統的全方位運動。
近年來隨著我國經濟發展需要和國家對智能機器人技術的大力支持，以高校、研究
院領頭，依托實力企業的科研模式為我國機器人產業奠定了堅實的技術基礎。在此期間， 球形機器人研究工作也取得了一些進展。北京郵電大學與北京航天航空大學合作研制了 一個直徑為320mm的球形機器人。該機器人采用了一種全新、高效的內驅動方式，能自 如地完成直線、圓弧運動，運動速度達到了3m/s，能夠爬上20度的斜坡，并且能夠實現 原地自轉，利用自身的形體優勢用最少的自由度，以欠驅動的方式實現了球形機器人的 全方位運動。但該機器人存在體積較大、越障能力較差、運動方向控制和姿態控制性能 不太理想等不足之處。在樣機試驗中，機器人能夠比較好地實現預期的直線運動，但其 它運動與預期存在較大偏差，此外球形機器人的穩定性也不理想。
目前研制的球形機器人和兩輪機器人均具自穩定、自平衡的優點，但由于主要利用 偏心來提供驅動轉矩，其爬坡和越障性能都較差，不能適應復雜地形環境。
發明內容
本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種具有球態、兩輪態和彈 跳三種運動形態，便于攜帶、運輸和投放，可在多種復雜地形環境中運動的多運動態球 形機器人。
為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案。
一種多運動態球形機器人，包括兩個半球形殼體和驅動兩半球形殼體展開或閉合的 螺旋伸縮機構，所述螺旋伸縮機構包括固定支架、驅動組件和兩組伸縮組件，驅動組件 裝設于固定支架的中部，兩組伸縮組件分別裝設于固定支架的兩端，所述各組伸縮組件 一端與驅動組件相連，另一端設有一臺驅動半球形殼體轉動的驅動電機。
所述固定支架上設有滑槽，固定支架的中部設有齒輪容置部，所述驅動組件包括撥 叉齒輪、展開齒輪和裝設于固定支架上的展開電機，所述展開齒輪裝設于展開電機的輸 出軸上，所述撥叉齒輪裝設于齒輪容置部內并與展開齒輪嚙合，所述各組伸縮組件包括 滑塊、撥叉螺紋套、電機螺紋套，所述撥叉螺紋套螺紋連接設于固定支架內，所述電機 螺紋套螺紋連接設于撥叉螺紋套內，兩處螺紋連接的螺紋旋向相反，撥叉螺紋套的撥叉 部與撥叉齒輪兩端的撥叉部相接，所述滑塊一端與電機螺紋套固接，另一端滑設于滑槽 內，所述驅動電機裝設于電機螺紋套內。
所述螺旋伸縮機構上裝設有彈跳機構，所述彈跳機構包括固設于固定支架上的彈跳 機構支架以及裝設于彈跳機構支架上的彈跳電機、蝸輪和蝸桿，所述彈跳電機的輸出軸 與蝸桿相連，所述蝸輪與蝸桿嚙合，并通過一支承軸支承于彈跳機構支架上，支承軸的 一端通過軸承套設有一撥桿，蝸輪上于撥桿同側設有驅動撥桿轉動的撥銷，所述撥桿下 方設有板簧，所述板簧一端固定，另一端通過一拉繩與撥桿的端部相連。
所述彈跳機構支架與固定支架之間設有橡膠墊塊。
所述兩半球形殼體上分別設有球殼連軸座，所述球殼連軸座包括扭簧、固定于半球 形殼體上的球殼連接塊和可相對球殼連接塊轉動的連軸擋塊，所述連軸擋塊裝設于球殼 連接塊和半球形殼體之間，并通過扭簧與球殼連接塊連接，所述驅動電機的輸出軸與連 軸擋塊相接。
所述固定支架上裝設有功能模塊和可將功能模塊伸出或收回的伸展機構。 所述伸展機構包括控制功能模塊上下伸展的第一伸展舵機、第二伸展舵機、第一伸 展搖臂和第二伸展搖臂、控制功能模塊偏轉姿態調整的第一姿態舵機、控制功能模塊俯 仰姿態調整的第二姿態舵機以及裝設于固定支架上的舵機底座，所述第一伸展舵機固定 于舵機底座上，所述第一伸展搖臂一端與第一伸展舵機的輸出端相連，另一端與第二伸 展舵機固接，所述第二伸展搖臂一端與第二伸展舵機的輸出端相連，另一端與第一姿態 舵機的輸出端相連，所述第二姿態舵機的輸出端與第一姿態舵機相連，所述功能模塊固 定于第二姿態舵機上。
所述功能模塊為可見光攝像機、紅外攝像機或信號中繼設備。
所述固定支架底部裝設有電控倉，所述電控倉內裝設有控制裝置和電源，所述固定 支架上或彈跳機構支架上或電控倉內裝設有無線收發模塊。
與現有技術相比，本發明的優點就在于
1、 本發明的多運動態球形機器人具有螺旋伸縮機構和分別連于螺旋伸縮機構兩端兩 個半球形殼體，螺旋伸縮機構可以驅動兩半球形殼體閉合或展開，使機器人分別處于球 態和兩輪態兩種運動形態。
2、 當兩個半球形殼體閉合時，機器人處于球態，在該狀態下，便于母車對機器人攜 帶、運輸和投放，半球形殼體具有很好的抗擊打能力、抗壓能力和承載能力，兩個半球 形殼體將機器人的核心部分嚴實的封閉在內，起到保護機器人核心部分的作用，使機器 人可適應基站發射、低空投放或母車投擲等多種投放方式，投放落地后，球態的機器人 可在慣性作用下自由翻滾，球態的機器人也可在驅動電機的作用下，使球殼內部機體重 心偏擺，從而實現機器人的直線運動、轉向及姿態調整。
3、 當兩個半球形殼體在螺旋伸縮機構的驅動下展開后，機器人處于兩輪態，在該狀 態下，兩個半球形殼體在驅動電機的驅動下，可實現機器人的直線運動、轉向運動和原 地旋轉運動，由于兩輪態的重心更穩，使機器人在運動過程中具有更好的平穩性和靈活 性。
4、 機器人裝設有彈跳機構，彈跳機構由彈跳電機驅動蝸輪蝸桿機構，由蝸輪上的撥 銷帶動撥桿，由撥桿通過拉繩使板簧壓縮，當撥桿將運動至最高位置時，板簧被壓縮至 極限，當撥銷推動撥桿越過最高點后，通過軸承套設于支承軸上的撥桿失去周向轉動的 約束，并在板簧作用下迅速滑至最低位置，板簧能量得以迅速釋放，板簧在釋放能量時 高速撞擊地面，機器人借撞擊反作用力實現跳躍運動，在行進過程中，機器人可利用彈 跳機構跨越數倍于自身高度的障礙；若機器人在惡劣地面環境中陷入困境，也可利用彈 跳機構的暴發力擺脫困境；機器人處于兩輪態時，可通過彈跳機構將板簧調整至適當位 置，利用板簧自身的剛度為機器人的運動提供一個有效的支撐力，提高機器人在兩輪態 運動中的平穩性，同時還可以增大機器人的運動牽引力，提高其地面通過性。
5、 兩個半球形殼體與螺旋伸縮機構經由球殼連軸座連接，球殼連軸座內裝有扭簧， 為一彈性連接機構，可起到減振與卸載的作用。
6、 兩個半球形殼體展開后，便于將搭載的功能模塊如可見光攝像機、紅外攝像機、 信號中繼設備等顯露出來，并可通過伸展機構將功能模塊伸出球殼，若功能模塊為可見 光攝像機或紅外攝像機，則可完成對周圍環境實施偵察并形成圖像反饋的任務，若功能 模塊為信號中繼設備，則可完成信號傳輸的任務。
7、在固定支架底部裝設有電控倉，可在電控倉內裝設控制裝置、電源和無線收發模 塊等，電控倉可對裝設于內的各種裝置和設備起到保護作用。
圖l是本發明的結構示意圖2是本發明拆除一側半球形殼體后的側視圖3是本發明拆除一側半球形殼體后的立體圖4是本發明螺旋伸縮機構收縮狀態的結構示意圖5是本發明螺旋伸縮機構展開狀態的結構示意圖6是本發明球殼連接塊部位的放大圖7是本發明彈跳機構的結構示意圖8是本發明展開狀態下將板簧調整至適當位置后的右視圖； 圖9是本發明攝像偵察機構伸展狀態的結構示意圖。 圖中各標號表示-
1、半球形殼體2、螺旋伸縮機構3、驅動電機4、球殼連軸座5、彈跳機構6、伸展機構7、電控倉8、無線收發模塊21、滑塊22、固定支架
23、電機螺紋套24、撥叉螺紋套
25、撥叉齒輪26、展開齒輪
27、展開電機41、球殼連接塊
42、連軸擋塊43、扭簧
51、彈跳電機52、彈跳機構支架
53、蝸輪54、蝸桿
55、撥銷56、支承軸
57、撥桿58、拉繩
59、板簧50、橡膠墊塊
61、舵機底座62、第一伸展舵機
63、第二伸展舵機64、第一伸展搖臂
65、第二伸展搖臂66、第一姿態舵機67、第二姿態舵機 68、功能模塊
221、齒輪容置部 222、滑槽
具體實施例方式
如圖1至圖3所示，本發明的多運動態球形機器人，包括兩個半球形殼體1和驅動 兩半球形殼體1展開或閉合的螺旋伸縮機構2，在螺旋伸縮機構2驅動下，兩半球形殼體 1可閉合或展開，使機器人分別處于球態和兩輪態兩種運動形態。
如圖4和圖5所示,本發明多運動態球形機器人的螺旋伸縮機構2包括固定支架22、 驅動組件和兩組伸縮組件，驅動組件裝設于固定支架22的中部，兩組伸縮組件分別裝設 于固定支架22的兩端。固定支架22上設有滑槽222，固定支架22的中部設有齒輪容置 部221。驅動組件包括撥叉齒輪25、展開齒輪26和裝設于固定支架22上的展開電機27， 展開齒輪26裝設于展開電機27的輸出軸上，撥叉齒輪25裝設于齒輪容置部221內并與 展開齒輪26嚙合。各組伸縮組件包括滑塊21、撥叉螺紋套24、電機螺紋套23，撥叉螺 紋套24螺紋連接設于固定支架22內，電機螺紋套23螺紋連接設于撥叉螺紋套24內， 兩處螺紋連接的螺紋旋向相反，撥叉螺紋套24的撥叉部與撥叉齒輪25兩端的撥叉部相 接，滑塊21—端與電機螺紋套23固接，另一端滑設于滑槽222內，電機螺紋套23內裝 設有驅動半球形殼體1轉動的驅動電機3。展開電機27經展開齒輪26驅動撥叉齒輪25 旋轉，進而撥動撥叉螺紋套24旋轉，撥叉螺紋套24相對固定支架22旋出，電機螺紋套 23由滑塊21約速了其與固定支架22之間的轉動自由度，故在旋轉的撥叉螺紋套24作用 下，相對固定支架22滑出，從而實現兩半球形殼體1展開。展開后，展開電機27反向 旋轉即可實現兩半球形殼體1閉合。當兩個半球形殼體1閉合時，機器人處于球態，在 該狀態下，便于母車對機器人攜帶、運輸和投放，半球形殼體l具有很好的抗擊打能力、 抗壓能力和承載能力，兩個半球形殼體1將機器人的核心部分嚴實的封閉在內，起到保 護機器人核心部分的作用，使機器人可適應基站發射、低空投放或母車投擲等多種投放 方式。投放落地后，球態的機器人可在慣性作用下自由翻滾；也可在驅動電機3的作用 下，使球殼內部機體重心偏擺，從而實現機器人的直線運動、轉向及姿態調整。當兩個 半球形殼體1在螺旋伸縮機構2的驅動下展開后，機器人處于兩輪態，在該狀態下，兩 個半球形殼體1在驅動電機3的驅動下，可實現機器人的直線運動、轉向運動和原地旋 轉運動，由于兩輪態的重心更穩，使機器人在運動過程中具有更好的平穩性和靈活性。
如圖6所示,本發明多運動態球形機器人的兩半球形殼體1上分別設有球殼連軸座4， 球殼連軸座4包括扭簧43、固定于半球形殼體1上的球殼連接塊41和可相對球殼連接塊 41轉動的連軸擋塊42，連軸擋塊42裝設于球殼連接塊41和半球形殼體1之間，并通過扭簧43與球殼連接塊41連接，驅動電機3的輸出軸與連軸擋塊42相接，這種彈性連接 機構，可起到減振與卸載的作用。
如圖8所示，本發明多運動態球形機器人的固定支架22底部裝設有電控倉7，電控 倉7內裝設有控制裝置、電源，彈跳機構支架52上裝設有無線收發模塊8。電控倉7可 對裝設于內的各種裝置和設備起到保護作用。
如圖7所示，本發明多運動態球形機器人的螺旋伸縮機構2上裝設有彈跳機構5，彈 跳機構5包括彈跳機構支架52以及裝設于彈跳機構支架52上的彈跳電機51、蝸輪53 和蝸桿54。彈跳機構支架52固設于固定支架22上，彈跳電機51的輸出軸與蝸桿54相 連，蝸輪53通過一支承軸56支承于彈跳機構支架52上，并與蝸桿54嚙合，支承軸56 的一端通過軸承套設有一撥桿57，蝸輪53上于撥桿57同側設有驅動撥桿57轉動的撥銷 55，撥桿57下方設有板簧59，板簧59 —端固定于電控倉7上，另一端通過一拉繩58 與撥桿57的端部相連。彈跳機構支架52與固定支架22之間設有橡膠墊塊50，橡膠墊塊 50可起到緩沖、減振作用。彈跳機構5由彈跳電機51驅動蝸輪蝸桿機構，并由蝸輪53 上的撥銷55帶動撥桿57，再由撥桿57通過拉繩58使板簧59壓縮，當撥桿57將運動至 最高位置時，板簧59被壓縮至極限，當撥銷55推動撥桿57越過最高點后，通過軸承套 設于支承軸56上的撥桿57失去周向轉動的約束，并在板簧59作用下迅速滑至最低位置， 板簧59能量得以迅速釋放，并在釋放能量時高速撞擊地面，機器人借撞擊反作用力實現 跳躍運動。在行進過程中，機器人可利用彈跳機構5跨越數倍于自身高度的障礙；若機 器人在惡劣地面環境中陷入困境，也可利用彈跳機構5的暴發力擺脫困境；機器人處于 兩輪態時，可通過彈跳機構5將板簧59調整至如圖8所示位置，便可利用板簧59自身 的剛度為機器人的運動提供一個有效的支撐力，提高機器人在兩輪態運動中的平穩性， 同時還可以增大機器人的運動牽引力，提高其地面通過性。
如圖9所示，本發明多運動態球形機器人的固定支架22上裝設有功能模塊68和可 將功能模塊68伸出或收回的伸展機構6。伸展機構6包括控制功能模塊68上下伸展的第 一伸展舵機62、第二伸展舵機63、第一伸展搖臂64和第二伸展搖臂65、控制功能模塊 68偏轉姿態調整的第一姿態舵機66、控制功能模塊68俯仰姿態調整的第二姿態舵機67 以及裝設于固定支架22上的舵機底座61。第一伸展舵機62固定于舵機底座61上，第一 伸展搖臂64—端與第一伸展舵機62的輸出端相連，另一端與第二伸展舵機63固接，第 二伸展搖臂65 —端與第二伸展舵機63的輸出端相連，另一端與第一姿態舵機66的輸出 端相連，第二姿態舵機67的輸出端與第一姿態舵機66相連，功能模塊68固定于第二姿 態舵機67上。功能模塊68可以是可見光攝像機、紅外攝像機或信號中繼設備，本實施 例中為可見光攝像機。兩個半球形殼體l展開后，便于將搭載的功能模塊68如可見光攝 像機、紅外攝像機、信號中繼設備等顯露出來，并可通過伸展機構6將功能模塊68伸出 半球形殼體l。若功能模塊68為可見光攝像機或紅外攝像機，則可完成對周圍環境實施 偵察并形成圖像反饋的任務，若功能模塊68為信號中繼設備，則可完成信號傳輸的任務。
權利要求
1、一種多運動態球形機器人，其特征在于包括兩個半球形殼體(1)和驅動兩半球形殼體(1)展開或閉合的螺旋伸縮機構(2)，所述螺旋伸縮機構(2)包括固定支架(22)、驅動組件和兩組伸縮組件，驅動組件裝設于固定支架(22)的中部，兩組伸縮組件分別裝設于固定支架(22)的兩端，所述各組伸縮組件一端與驅動組件相連，另一端設有驅動半球形殼體(1)轉動的驅動電機(3)。
2、 根據權利要求1所述的多運動態球形機器人，其特征在于所述固定支架(22) 上設有滑槽(222)，固定支架(22)的中部設有齒輪容置部(221)，所述驅動組件包括 撥叉齒輪(25)、展開齒輪(26)和裝設于固定支架(22)上的展開電機(27)，所述展 開齒輪(26)裝設于展開電機(27)的輸出軸上，所述撥叉齒輪(25)裝設于齒輪容置 部(221)內并與展開齒輪(26)嚙合，所述各組伸縮組件包括滑塊(21)、撥叉螺紋套(24)、電機螺紋套(23)，所述撥叉螺紋套(24)螺紋連接設于固定支架(22)內，所 述電機螺紋套(23)螺紋連接設于撥叉螺紋套(24)內，兩處螺紋連接的螺紋旋向相反， 撥叉螺紋套(24)的撥叉部與撥叉齒輪(25)兩端的撥叉部相接，所述滑塊(21) —端 與電機螺紋套(23)固接，另一端滑設于滑槽(222)內，所述驅動電機(3)裝設于電 機螺紋套(23)內。
3、 根據權利要求1或2所述的多運動態球形機器人，其特征在于所述螺旋伸縮機 構(2)上裝設有彈跳機構(5)，所述彈跳機構(5)包括固設于固定支架(22)上的彈 跳機構支架(52)以及裝設于彈跳機構支架(52)上的彈跳電機(51)、蝸輪(53)和蝸 桿(54)，所述彈跳電機(51)的輸出軸與蝸桿(54)相連，所述蝸輪(53)與蝸桿(54) 嚙合，并通過一支承軸(56)支承于彈跳機構支架(52)上，支承軸(56)的一端通過 軸承套設有一撥桿(57)，蝸輪(53)上于撥桿(57)同側設有驅動撥桿(57)轉動的撥 銷(55)，所述撥桿(57)下方設有板簧(59)，所述板簧(59) —端固定，另一端通過 一拉繩(58)與撥桿(57)的端部相連。
4、 根據權利要求3所述的多運動態球形機器人，其特征在于所述彈跳機構支架(52) 與固定支架(22)之間設有橡膠墊塊(50)。
5、 根據權利要求1或2所述的多運動態球形機器人，其特征在于所述兩半球形殼 體(1)上分別設有球殼連軸座(4)，所述球殼連軸座(4)包括扭簧(43)、固定于半球 形殼體(1)上的球殼連接塊(41)和可相對球殼連接塊(41)轉動的連軸擋塊(42)， 所述連軸擋塊(42)裝設于球殼連接塊(41)和半球形殼體(1)之間，并通過扭簧(43) 與球殼連接塊(41)連接，所述驅動電機(3)的輸出軸與連軸擋塊(42)相接。
6、 根據權利要求4所述的多運動態球形機器人，其特征在于所述兩半球形殼體(l) 上分別設有球殼連軸座(4)，所述球殼連軸座(4)包括扭簧(43)、固定于半球形殼體(1)上的球殼連接塊(41)和可相對球殼連接塊(41)轉動的連軸擋塊(42)，所述連 軸擋塊(42)裝設于球殼連接塊(41)和半球形殼體(1)之間，并通過扭簧(43)與球 殼連接塊(41)連接，所述驅動電機(3)的輸出軸與連軸擋塊(42)相接。
7、 根據權利要求6所述的多運動態球形機器人，其特征在于所述固定支架(22) 上裝設有功能模塊(68)和可將功能模塊(68)伸出或收回的伸展機構(6)。
8、 根據權利要求7所述的多運動態球形機器人，其特征在于所述伸展機構(6) 包括控制功能模塊(68)上下伸展的第一伸展舵機(62)、第二伸展舵機(63)、第一伸 展搖臂(64)和第二伸展搖臂(65)、控制功能模塊(68)偏轉姿態調整的第一姿態舵機(66)、控制功能模塊(68)俯仰姿態調整的第二姿態舵機(67)以及裝設于固定支架(22) 上的舵機底座(61)，所述第一伸展舵機(62)固定于舵機底座(61)上，所述第一伸展 搖臂(64) —端與第一伸展舵機(62)的輸出端相連，另一端與第二伸展舵機(63)固 接，所述第二伸展搖臂(65) —端與第二伸展舵機(63)的輸出端相連，另一端與第一 姿態舵機(66)的輸出端相連，所述第二姿態舵機(67)的輸出端與第一姿態舵機(66) 相連，所述功能模塊(68)固定于第二姿態舵機(67)上。
9、 根據權利要求8所述的多運動態球形機器人，其特征在于所述功能模塊(68) 為可見光攝像機、紅外攝像機或信號中繼設備。
10、 根據權利要求9所述的多運動態球形機器人，其特征在于所述固定支架(22) 底部裝設有電控倉(7)，所述電控倉(7)內裝設有控制裝置和電源，所述固定支架(22) 上或彈跳機構支架(52)上或電控倉(7)內裝設有無線收發模塊(8)。
全文摘要
本發明公開了一種多運動態球形機器人，包括兩個半球形殼體和驅動兩半球形殼體展開或閉合的螺旋伸縮機構，所述螺旋伸縮機構包括固定支架、驅動組件和兩組伸縮組件，驅動組件裝設于固定支架的中部，兩組伸縮組件分別裝設于固定支架的兩端，所述各組伸縮組件一端與驅動組件相連，另一端設有一臺驅動半球形殼體轉動的驅動電機。該多運動態球形機器人具有球態、兩輪態和彈跳三種運動形態，便于攜帶、運輸和投放，可在多種復雜地形環境中運動。
文檔編號B62D57/028GK101168372SQ20071019246
公開日2008年4月30日 申請日期2007年11月30日 優先權日2007年11月30日
發明者楠 叢, 安向京, 尚建忠, 張士剛, 潘中銀, 羅自榮 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學