一种可伸缩球形机器人的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种可伸缩球形机器人，将六足昆虫式爬行的特征和球形滚动多种姿态的特征相结合，采用曲柄滑块机构、上球壳组件、下球壳组件组合结构设计,实现多个自由度的伸展收缩。曲柄滑块机构安装在上球壳组件与下球壳组件之间中心部位，为上球壳组件和下球壳组件固定连接提供支撑；上球壳组件安装在上部台架上，通过六个铜柱与中心舵机上面的旋转圆盘固连。下球壳组件通过内侧舵机与上下导轨支架上的曲柄连接，中间舵机与U型架连接，U型连接架和U型架固连并与外侧舵机连接，下球壳通过下球壳支架与外侧舵机固定连接，针形脚安装在外侧舵机上。可伸缩球形机器人设计合理、结构简单，可靠性与稳定性较高，生产成本低。
【专利说明】一种可伸缩球形机器人
【技术领域】
[0001]本实用新型属于机器人领域，具体地说，涉及一种具有多个自由度的可伸缩球形机器人。
【背景技术】
[0002]现有公开的文献中，挪威工程师Zenta发明的Morphex变形机器人系列，已设计生产出Morphex 1、Morphex II与Morphex III共三代机器人。该变形机器人中心部分采用齿轮传动，与中心舵机相连的齿轮同时与六个齿轮相啮合的结构，对所有齿轮的轴心定位和精度要求很高，但易发生齿轮脱齿、卡死现象，且受到机械震动或干扰后机构稳定性较差。变形机器人的上盖部分由六块相同结构的弧板组成半球壳形；每一部分只有一个自由度，通过舵机连接的四连杆与滑轨支架共同完成球壳的开闭。变形机器人设计有六条腿，通过三个舵机实现控制三个正交方向的自由度；每块球壳分别固定连接在相对应的腿上。但结构较为复杂，制作成本高。
[0003]在发明专利CN1295907A中公开了一种可自主滚动的球形机器人，该机器人具有圆球形状的外形，能够在内置电机的驱动下滚动翻转。而且具有运动速度快，运行状态平稳和能量消耗小的特点。但是与足式或爬行机器人相比，该机器人只能在相对平整的地面上运动，对于不同地形的适应性较弱。
实用新型内容
[0004]为了避免现有技术存在的不足，克服其结构较为复杂，制作成本高的问题。本实用新型提出一种可伸缩球形机器人，目的是将六足昆虫式爬行的特征和球形滚动多种姿态的特征相结合，实现多个自由度的伸展收缩，提高了机器人的稳定性，而且具有降低制造成本的优势。
[0005]本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:包括曲柄滑块机构、上球壳组件、下球壳组件，曲柄滑块机构位于上球壳组件与下球壳组件之间中心部位，并为上球壳组件与下球壳组件固定连接提供支撑；
[0006]所述曲柄滑块机构包括上导轨支架、旋转圆盘、曲柄、副支撑架、主支撑架、中心舵机固定板、杯式轴承、下导轨支架、中心舵机、中心舵机固定板连接架，两个旋转圆盘分别与中心舵机输出轴上的舵盘固连，上导轨支架与下导轨支架分别嵌套在两个旋转圆盘上，且对称平行安装，上导轨支架与下导轨支架上沿圆周顺时针均布各有六个突出的导轨滑槽，杯式轴承嵌入在导轨滑槽内，并与曲柄固连，每个曲柄一端固连在旋转圆盘上，曲柄另一端与腿部单元件内侧舵机舵盘连接，四个主支撑架固定安装在上导轨支架与下导轨支架之间，两块中心舵机固定板分别与四个主支撑架固连，四个中心舵机固定板连接架固定在中心舵机上，并与两块中心舵机固定板固连，两个副支撑架位于中心舵机固定板两侧，且对称安装在上导轨支架与下导轨支架之间，各连接件之间均采用小螺栓连接；
[0007]所述上球壳组件由上部台架、六个铜柱和六个球壳单元件组成，上部台架通过六个铜柱与中心舵机上面的旋转圆盘固连，六个球壳单元件位于上部台架上面；所述球壳单元件包括舵机、舵机套、连杆支架、连杆、上球壳连接耳、上球壳、上部U型架，两个舵机通过舵机套固定在上部台架上面，连杆一端与连杆支架连接，连杆另一端与两个上球壳连接耳连接，两个上球壳连接耳固定在上球壳上，连杆支架安装在舵机套上，上部U型架一端与舵机舵盘固连，由舵机舵盘带动旋转运动，上部U型架另一端与两个上球壳连接耳连接，并通过两个上球壳连接耳与上球壳固连，各连接件之间通过小螺栓连接；
[0008]所述下球壳组件包括六个结构相同的腿部单元件，每个腿部单元件由三个舵机、腿部舵机连接件、舵盘、下球壳、下球壳支架、U型架、U型连接架、针形脚组成，内侧舵机与中间舵机通过腿部舵机连接件固连，两个舵机依中轴线相错位90度安装，内侧舵机舵盘与上导轨支架和下导轨支架上的曲柄连接，中间舵机通过舵盘与U型架连接，U型架和U型连接架固连，U型连接架另一端与外侧舵机舵盘相连接，下球壳通过下球壳支架与外侧舵机固连，针形脚安装在外侧舵机上，各连接件之间通过小螺栓连接。
[0009]有益效果
[0010]本实用新型提出的一种可伸缩球形机器人，将六足昆虫式爬行的特征和球形滚动多种姿态的特征相结合，采用曲柄滑块机构和上球壳组件、下球壳组件组合结构设计，实现多个自由度的伸展与收缩。曲柄滑块机构安装在上球壳组件与下球壳组件之间中心部位，曲柄滑块机构为上球壳组件和下球壳组件固定连接提供支撑。上球壳组件安装在上部台架上，上部台架通过六个铜柱与中心舵机上面的旋转圆盘固连。下球壳组件的腿部单元件通过内侧舵机与上导轨支架上的曲柄和下导轨支架上的曲柄连接，内侧舵机与中间舵机错位90度安装，中间舵机与U型架连接，U型架和U型连接架固连，U型连接架与外侧舵机相连接，下球壳通过下球壳支架与外侧舵机固定连接，针形脚安装在外侧舵机上。
[0011]本实用新型可伸缩球形机器人设计合理、结构简单，可靠性与稳定性较高，而且具有生产成本低的优势。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]下面结合附图和实施方式对本实用新型一种可伸缩球形机器人作进一步的详细说明。
[0013]图1为本实用新型可伸缩球形机器人外形示意图。
[0014]图2为可伸缩球形机器人爬行状态示意图。
[0015]图3为可伸缩球形机器人爬行状态仰视图。
[0016]图4为可伸缩球形机器人的曲柄滑块机构轴测图。
[0017]图5为可伸缩球形机器人的曲柄滑块机构伸展状态示意图。
[0018]图6为可伸缩球形机器人的曲柄滑块机构收缩状态示意图。
[0019]图7为可伸缩球形机器人的曲柄滑块机构各支架零件部位示意图。
[0020]图8为可伸缩球形机器人的曲柄滑块机构主视图。
[0021]图9为可伸缩球形机器人的腿部单元件结构示意图。
[0022]图10为可伸缩球形机器人去掉球壳单元件的轴测图。
[0023]图11为可伸缩球形机器人的球壳单元件连接示意图。
[0024]图中:
[0025]1.上导轨支架2.旋转圆盘3.曲柄4.副支撑架5.主支撑架6.中心舵机固定板7.杯式轴承8.下导轨支架9.中心舵机10.中心舵机固定板连接架11.舵机12.腿部舵机连接件13.舵盘14.下球壳15.下球壳支架16.U型架17.U型连接架18.针形脚19.上部台架20.舵机套21.连杆支架22.连杆23.上球壳连接耳24.上球壳25.上部U型架26.铜柱
【具体实施方式】
[0026]本实施例是一种可伸缩球形机器人。
[0027]参阅图1?图11，可伸缩球形机器人由曲柄滑块机构和上球壳组件、下球壳组件组成，曲柄滑块机构位于上球壳组件与下球壳组件之间中心部位，曲柄滑块机构为上球壳组件与下球壳组件固定连接提供支撑。
[0028]曲柄滑块机构包括上导轨支架1、旋转圆盘2、曲柄3、副支撑架4、主支撑架5、中心舵机固定板6、杯式轴承7、下导轨支架8、中心舵机9、中心舵机固定板连接架10，两个旋转圆盘2分别与中心舵机9输出轴上的舵盘固定连接，上导轨支架I与下导轨支架8分别嵌套在两个旋转圆盘2上，而且对称平行安装，并由中心舵机9提供旋转动力。上导轨支架I与下导轨支架8上沿圆周顺时针均布各有六个突出的导轨滑槽，每个导轨滑槽内安装有杯式轴承7 ;每个曲柄3上设置有四个安装孔，杯式轴承7固定连接在每个曲柄3上靠近旋转圆盘2的第二个安装孔上，每个曲柄3 —端固连在旋转圆盘2上，曲柄3另一端与腿部单元件内侧舵机11的舵盘13连接，四个主支撑架5固定安装在上导轨支架I与下导轨支架8之间，两块中心舵机固定板6分别与四个主支撑架5固定连接，四个中心舵机固定板连接架10固定在中心舵机9上，并与两块中心舵机固定板6固定连接，两个副支撑架4位于中心舵机固定板6两侧，而且对称安装在上导轨支架I与下导轨支架8之间，各连接件之间均采用小螺栓连接。曲柄滑块机构实现伸展收缩功能，杯式轴承7视作为滑块，上导轨支架I与下导轨支架8的导轨滑槽作为滑块的导轨，旋转圆盘2视作为曲柄、曲柄3视作为连杆。通过旋转圆盘2的主动旋转，与杯式轴承7在导轨滑槽中的被动滑动，带动曲柄3进行伸展收缩运动，从而控制下球壳组件的伸展与收缩。
[0029]下球壳组件包括六个结构相同的腿部单元件，每个腿部单元件由三个舵机11、腿部舵机连接件12、舵盘13、下球壳14、下球壳支架15、U型架16、U型连接架17、针形脚18组成，三个舵机11分别为内侧舵机、中间舵机和外侧舵机，依次控制腿部单元件的水平旋转、抬腿收腿与抬脚收脚三个自由度。内侧舵机与中间舵机通过腿部舵机连接件12固连，两个舵机依中轴线相错位90度安装，内侧舵机舵盘13分别与上导轨支架I上的曲柄和下导轨支架8上的曲柄连接，中间舵机通过舵盘与U型架16连接，U型架16和U型连接架17固定连接，U型连接架17另一端与外侧舵机舵盘相连接；下球壳14通过下球壳支架15与外侧舵机固连，下球壳14在六足行走状态时作为外部保护与装饰，在滚动状态则作为受力支撑件。针形脚18安装在外侧舵机上，针形脚18在六足行走状态作为受力件，在滚动及球形静止状态下不受力。各连接件之间通过小螺栓连接。
[0030]上球壳组件由上部台架19、六个铜柱26和六个结构相同的球壳单元件组成，上部台架19通过六个铜柱26与中心舵机9上面的旋转圆盘2相固连，旋转圆盘2的旋转带动整个上球壳组件相对于机器人下球壳组件旋转，最大旋转角度为120°。六个球壳单元件安装在上部台架19上面，每个球壳单元件包括舵机11、两个舵机套20、两个连杆支架21、连杆22、四个上球壳连接耳23、上球壳24、上部U型架25，两个舵机11通过舵机套20固定在上部台架19上面，连杆22 —端与连杆支架21连接，连杆22另一端与两个上球壳连接耳23连接，两个上球壳连接耳23固定在上球壳24上，连杆支架21安装在舵机套20上，上部U型架25 —端与舵机的舵盘固连，由舵机的舵盘带动旋转运动，上部U型架25另一端与两个上球壳连接耳23连接，并通过两个上球壳连接耳23与上球壳24固连，各连接件之间通过小螺栓连接。
[0031]本实用新型可伸缩球形机器人实现的姿态及运动状态:
[0032]机器人静止状态:此时，中心部分曲柄滑块机构收缩至最小，同时腿部单元件向内侧伸入，每个腿部单元件的三个舵机调整到适当位置，使六个腿部单元件的下球壳恰好相切接触，共同形成下半球面。机器人上球壳组件的六个舵机及连杆机构调整到合适位置，恰好使上球壳组件的六个上球壳相切接触，组成上半球面。此状态仅有十二片上球壳和下球壳裸露在外，其它所有结构包裹在球壳内部，形成球形静止状态。
[0033]机器人滚动状态:此时，滚动状态以上述球形静止状态作为滚动起始姿态。当机器人处于球形静止状态时，由于重心高，机器人将发生非自主侧滚。为表述方便，下面引入地球仪的经纬线作为类比参考，则12片球壳共形成一条赤道线和六条等分的经线。机器人与地面相接触且位于同一经线的一腿部单元件及上球壳连杆机构外伸相同角度，使机器人沿赤道平面向前滚动一个角度；当该腿部单元件与上球壳连杆机构离开地面后，下一组与地面接触的腿部单元件与上球壳连杆机构做相同运动，同时上一组回到初始状态。如此重复交替实现机器人球形滚动。通过调节腿部单元件与上球壳连杆机构伸出角度可控制其左右转弯方向。
[0034]机器人爬行状态:此时，中心部分曲柄滑块机构处于收缩或伸展任意状态，其中伸展状态的六足具有更大的运动空间，且允许上球壳自由运动。
【权利要求】
1.一种可伸缩球形机器人，其特征在于:包括曲柄滑块机构、上球壳组件、下球壳组件，曲柄滑块机构位于上球壳组件与下球壳组件之间中心部位，并为上球壳组件与下球壳组件固定连接提供支撑； 所述曲柄滑块机构包括上导轨支架、旋转圆盘、曲柄、副支撑架、主支撑架、中心舵机固定板、杯式轴承、下导轨支架、中心舵机、中心舵机固定板连接架，两个旋转圆盘分别与中心舵机输出轴上的舵盘固连，上导轨支架与下导轨支架分别嵌套在两个旋转圆盘上，且对称平行安装，上导轨支架与下导轨支架上沿圆周顺时针均布各有六个突出的导轨滑槽，杯式轴承嵌入在导轨滑槽内，并与曲柄固连，每个曲柄一端固连在旋转圆盘上，曲柄另一端与腿部单元件内侧舵机舵盘连接，四个主支撑架固定安装在上导轨支架与下导轨支架之间，两块中心舵机固定板分别与四个主支撑架固连，四个中心舵机固定板连接架固定在中心舵机上，并与两块中心舵机固定板固连，两个副支撑架位于中心舵机固定板两侧，且对称安装在上导轨支架与下导轨支架之间，各连接件之间均采用小螺栓连接； 所述上球壳组件由上部台架、六个铜柱和六个球壳单元件组成，上部台架通过六个铜柱与中心舵机上面的旋转圆盘固连，六个球壳单元件位于上部台架上面；所述球壳单元件包括舵机、舵机套、连杆支架、连杆、上球壳连接耳、上球壳、上部U型架，两个舵机通过舵机套固定在上部台架上面，连杆一端与连杆支架连接，连杆另一端与两个上球壳连接耳连接，两个上球壳连接耳固定在上球壳上，连杆支架安装在舵机套上，上部U型架一端与舵机舵盘固连，由舵机舵盘带动旋转运动，上部U型架另一端与两个上球壳连接耳连接，并通过两个上球壳连接耳与上球壳固连，各连接件之间通过小螺栓连接； 所述下球壳组件包括六个结构相同的腿部单元件，每个腿部单元件由三个舵机、腿部舵机连接件、舵盘、下球壳、下球壳支架、U型架、U型连接架、针形脚组成，内侧舵机与中间舵机通过腿部舵机连接件固连，两个舵机依中轴线相错位90度安装，内侧舵机舵盘与上导轨支架和下导轨支架上的曲柄连接，中间舵机通过舵盘与U型架连接，U型架和U型连接架固连，U型连接架另一端与外侧舵机舵盘相连接，下球壳通过下球壳支架与外侧舵机固连，针形脚安装在外侧舵机上，各连接件之间通过小螺栓连接。
【文档编号】B62D57/02GK203832605SQ201420172784
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年4月10日 优先权日:2014年4月10日
【发明者】付兴, 张泽卿, 赵容, 许柏楠, 薛晓晗, 付博超, 刘闯, 马天航, 肖迅 申请人:西北工业大学