一种具有行走功能的球形机器人的制作方法

本发明涉及一种可变形的地面移动式机器人。更明确地，本发明涉及一种具有球形滚动以及四足行走功能的变形机器人。属于机器人技术领域。

技术背景

随着机器人技术不断地发展，人们对移动机器人的运动高效率和地形适应能力提出了更高的要求，传统移动式机器人难以满足这种更加复杂的需求，具有混合驱动的机器人有良好的发展前景。

对多种传统运动机构进行机构综合以实现多种运动模式，成为了一种可行的设计思路。其中，球形滚动和足式步行结合的机器人兼具了球形机器人运动效率高和足式机器人地形适应能力好的特点。球形机器人和足式步行机器人在结构上差异较大，其关键在于如何将这两种运动模式进行深度地综合设计，以兼具实现这两种运动模式的优点。

发明专利cn103538644a中公开了一种具有滚动运动与足式行走功能的机器人，该机器人同样结合了滚动和行走两种运动模式的优点，但是用于滚动的下半球形外壳也用于行走，在滚动过程中，下半球壳难以保持完整的球面，滚动效率受到影响；在行走过程中，张开的半球壳降低了对机器人机身的封闭式保护。发明专利cn104002887a中公开了一种快速转向的机器人，包括两侧8对球面球足机构和中间摆锤机构，通过两侧的球面球足机构能够实现机器人的快速转向，但是球面球足机构不具备行走功能，难以适应更为复杂的地形。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种兼具球形滚动和足式步行功能的机器人，将球形滚动和足式行走这两种运动模式深度融合，提升机器人的运动效率和对复杂环境的适应能力。

为了实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案：一种具有四足爬行功能的球形机器人，包括球壳模块、滚动驱动模块，支撑模块、足部模块、足部平衡模块。其特征在于：球壳模块的中间部分与支撑模块固连，滚动驱动模块的主轴通过法兰固连在支撑模块上，足部模块分成两部分，分别安装在主轴的两端，足部平衡模块安装在支撑模块上，与球壳模块、足部模块连接。

所述的球壳模块由空心薄壁球壳构成，分为三个部分，球壳模块的第一部分为球形外壳中间鼓形的部分，球壳模块的第二部分为球形外壳的两边的部分，每一边的球壳模块第二部分都有两个孔，球壳模块的第三部分为填补球壳模块第二部分中两个孔的球面薄壁。

所述的滚动驱动模块由主轴、滚动小齿轮、滚动大齿轮、滚动支架、滚动基座、滚动电机、滚动电机驱动器、蜗轮蜗杆减速器、导电滑环、齿轮轴套、导电滑环轴套、法兰组成。滚动支架通过轴承安装在主轴上，滚动大齿轮、导电滑环安装在主轴上，分别位于滚动支架的两侧，齿轮轴套、导电滑环轴套安装在主轴上，用于滚动大齿轮和导电滑环的轴向定位。滚动基座与滚动支架之间固定连接，滚动电机安装在蜗轮蜗杆减速器上，滚动电机驱动器、蜗轮蜗杆减速器安装在滚动基座上，滚动小齿轮安装在蜗轮蜗杆减速器的输出轴上，与滚动大齿轮啮合。滚动电机、蜗轮蜗杆减速器、滚动电机驱动器作为本发明所述机器人的配重，用于改变机器人的重心。

所述的支撑模块由龙骨、连接角支架、连接板、支撑板组成。连接板通过连接角支架拼接成一个环形，支撑板与连接板固定连接，这样就形成了支撑模块的一面，另一面以相同的方式连接，每根龙骨的两端分别与支撑模块每一面的连接角支架连接，把支撑模块的两面连接起来。

所述的足部模块，由足部基座、足部导电滑环、连接管、垫块和四组独立的足部模块子单元组成，每一组足部模块子单元中零部件的安装方式相同。足部子单元安装在足部基座上，每一组足部模块子单元包括髋关节支架、大腿关节支架、小腿关节支架、足末端支架、足末端杆、舵机、舵盘、电位器、连接轴、电位器齿轮a、电位器齿轮b、电位器支架、电位器轴。足部子单元安装在足部基座上。在足部模块子单元中，每个舵机都安装了一个舵盘，第一舵机安装在足部基座上，髋关节支架一端安装在第一舵机的舵盘上，另一端安装在大腿关节支架上，通过连接轴a，足部基座、髋关节支架、大腿关节支架连接在一起。第二舵机安装在大腿关节支架上，第三舵机安装在足末端支架上。小腿关节支架一端安装在第二舵机的舵盘和大腿关节支架上，另一端安装在第三舵机的舵盘和足末端支架上，足末端杆安装在足末端支架上。连接轴b连接大腿关节支架和小腿关节支架，连接轴c连接足末端支架和小腿关节支架。电位器a安装在电位器支架上，电位器支架安装在足部基座上，电位器齿轮a通过电位器轴安装在电位器a上，电位器齿轮b安装在舵机a上，电位器齿轮a与电位器齿轮b啮合。电位器b安装在连接轴b上，电位器c安装在连接轴c上。足末端支架上安装球壳模块的第三部分。足部导电滑环内孔安装在主轴上，外圈安装在足部基座上。垫块安装在球壳模块的第二部分上，连接管的一端安装在垫块上，另一端安装在足部基座上。

所述的足部平衡模块，由平衡电机，平衡齿轮a、平衡齿轮b、基座轴套、导轨、导柱垫块、导柱组成。平衡电机安装在支撑模块的支撑板上，平衡齿轮a安装在平衡电机上，平衡齿轮b的内孔通过轴承装在基座轴套上，端面安装在足部模块的足部基座上，平衡齿轮a与平衡齿轮b啮合。导轨安装在支撑模块的连接板上，导柱垫块安装在球壳模块第二部分的边缘上，导柱的一端安装在导柱垫块上，一端在导轨的凹槽里滑动。

本发明具有基本球形滚动模式、基本四足行走模式和混合运动模式三种运动模式。在球形滚动时，足部模块收缩在球壳模块内，即球壳模块的三个部分形成一个完整的球形。滚动驱动模块中的电机驱动滚动小齿轮转动，带动滚动支架、滚动基座、滚动电机、滚动电机驱动器、蜗轮蜗杆减速器绕主轴旋转，从而使整个机器人的重心发生偏移，实现了机器人的直线滚动。在滚动过程中，机器人的足部模块在足部平衡模块的作用下，与地面不发生转动，只有水平方向上的相对移动。在需要转向时，足部平衡模块驱动两侧的足部基座以相反的方向加速转动，产生转向力矩，使机器人在原地转向。在基本四足行走模式中，足部平衡模块驱动足部模块相对机器人的球壳模块和支撑模块保持静止，足部模块子单元向外伸展，足末端着地，四组足部模块子单元形成机器人的四条腿，在四条腿的相互配合下实现机器人的行走。机器人的混合运动模式就是在机器人以其中一种基本运动模式为主运动时，另一种基本运动模式地执行机构帮助其更好地完成动作。例如，在机器人遇到较小的障碍物无法直接滚过去的时候，可以令部分的足部模块子单元伸出球壳并做踏地动作，帮助机器人越过障碍物。在基本足式行走模式中，滚动驱动模块可以调整机器人的重心，使机器人在足式行走中的步幅增加，以提升步行速度和稳定性。

与现有的技术相比，本发明具有以下优势：

(1)本发明兼具球形滚动和足式行走两种基本运动模式，使机器人可以在平地上快速的移动，也可以越过崎岖的地形。

(2)本发明将球形滚动和足式行走两种基本运动模式进行融合，使机器人不仅兼具了这两种运动模式的优点，还极大提升了机器人在球形滚动运动状态中的越障能力，以及在足式行走运动状态中的稳定性和运动速度。

(3)本发明所述机器人的足式结构和用于滚动的运动结构相互独立。机器人在球形滚动时，球形外壳的保持性更好，滚动更加稳定。在足式越障时，球形外壳有助于越障的实现。

(4)本发明所述的机器人利用左右两侧的足部模块，实现了机器人的零半径转向，提升了机器人在狭小空间中的应用性。

(5)本发明所述的机器人中具有支撑模块，使机器人的机身更加坚固，在球形滚动的时候，球壳模块的球形保持性很好。

附图说明

图1为本发明提供的机器人球形滚动状态的总体结构示意图。

图2为本发明提供的机器人足式行走状态的总体结构示意图。

图3为图1中机器人的配重驱动模块结构示意图。

图4为图1中机器人的足部模块示意图。

图5为图4中机器人的足部模块子单元示意图。

图6为图5中足部模块子单元中大腿关节、小腿关节、足末端安装示意图。

图7为本发明的提供的机器人的支撑模块示意图。

图8为本发明提供的机器人的足部平衡模块示意图。

图9为本发明所述机器人在翻越阶梯时的示意图。

图10为本发明所述机器人在爬坡时的示意图。

图11为本发明所述机器人在跨越深沟的示意图。

图12为发明所述机器人的实例五。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。

实施例一

如图1、图2、图3、图4所示，本发明所述的机器人包括球壳模块1、滚动驱动模块2、足部模块3、支撑模块4、足部平衡模块5。球壳模块分为球壳模块第一部分11、球壳模块第二部分121、122、球壳模块第三部分131、132、133、134。滚动驱动模块2通过法兰212、213与支撑模块的支撑板412、422连接。支撑模块4包括左侧支撑41和右侧支撑42，左侧支撑41和右侧支撑42分别安装在球壳模块的第一部分11的左右两侧，起到机器人结构支撑的作用。足部模块3包括左侧足部31和右侧足部32，分别安装在滚动驱动模块2的主轴21的两端，球壳模块第二部分121、122分别与左侧足部31、右侧足部32连接，球壳模块第三部分131、132、133、134分别安装在足部模块子单元311、312、321、322上。足部平衡模块5包括左侧足部平衡51和右侧足部平衡52，分别安装在支撑模块4、球壳模块第二部分121、122、足部模块3、主轴21上。在机器人球形滚动的时候，滚动驱动模块运动，改变机器人的重心，从而驱动机器人滚动。在滚动时，足部平衡模块5驱动足部模块3以使其保持相对地面平行。

如图2所示，为本发明提供的机器人的足式行走状态，球壳模块第一部分11和支撑模块4形成机器人的主体，左侧足部31、右侧足部32安装在球壳模块第一部分11的两侧，机器人行走时，足部模块子单元311、312、321、322从球壳模块第二部分121、122中伸展出来，四组足部模块子单元按照一定的顺序依次抬起、摆动、落下，实现足式行走的功能。在机器人足式行走的时候，足部平衡模块5驱动足部模块3的足部基座315、325相对球壳模块第一部分11和支撑模块4静止。

如图3所示，滚动驱动模块包括主轴21、滚动支架22、滚动基座23、滚动大齿轮24、滚动小齿轮25、蜗轮蜗杆减速器26、滚动电机27、滚动电机驱动器28、导电滑环29、导电滑环轴套210、齿轮轴套211、法兰212和法兰213。滚动支架22通过轴承安装在主轴21上，滚动基座23与滚动支架22固连，蜗轮蜗杆减速器26和滚动电机驱动器28安装在滚动基座23上。滚动电机27和滚动小齿轮25分别安装在蜗轮蜗杆减速器26的输入端和输出端上。滚动大齿轮24、导电滑环210的内孔与主轴21固连，分别安装在滚动支架22的两侧。滚动大齿轮24与滚动小齿轮25啮合。导电滑环轴套210安装在主轴21上，用于导电滑环29的轴向固定，齿轮轴套211安装在主轴21上，用于滚动大齿轮24的轴向固定。法兰212和法兰213套在主轴21上，与主轴21固连。法兰212、法兰213用于导电滑环轴套210和齿轮轴套211的轴向固定，法兰212、法兰213还与支撑板412、422固连，起到连接驱动模块2和支撑模块4的作用。滚动模块2的工作原理是，滚动电机27旋转，运动经过蜗轮蜗杆减速器26带动滚动小齿轮25转动，因为滚动大齿轮24与主轴21固连，所以在滚动小齿轮25的带动下，由滚动支架22、滚动基座23、蜗轮蜗杆减速器26、滚动电机27、滚动电机驱动器28所组成的配重绕主轴21旋转，从而达到改变机器人重心的目的。

如图4所示，本发明所述机器人的足部模块3包括足部子单元31、32、33、34，左足部基座351，右足部基座352，连接管361、362、363、364，垫块371、372、373、374，足部导电滑环381、382。足部模块3为对称结构，以左边部分为例，足部子单元31、32安装在左足部基座351的两端。足部导电滑环381的外圈安装在左足部基座351的中心孔内，内孔安装在主轴21上，足部导电滑环381用于机器人主控制系统与舵机控制系统之间的信号传输。连接管361的一端安装在左足部基座351上，另一端上安装垫块371，垫块371与球壳模块第二部分121固连。连接管362、垫块372的连接方式和连接管361、垫块371相同。球壳模块第三部分131与足部子单元31、32固连。左足部基座351中心孔的一端通过轴承安装在主轴21上，另一端的端面与平衡齿轮b514固连。在机器人滚动或者行走时，左侧足部平衡51的运动作用到平衡齿轮b514上，带动足部基座351相对主轴21转动或者静止。足部模块3的右边部分结构和安装方式相同。当机器人在基本球形滚动模式中，足部模块子单元31、32、33、34呈收缩状态，球壳模块1的三个部分形成一个完整的球形。当机器人在基本四足行走模式中，足部子单元31、32、33、34从球壳模块第二部分121、122中伸出，形成机器人在基本四足行走模式中的腿。

如图5、图6所示，以足部模块子单元33为例说明足部模块子单元的结构。足部模块子单元包括第一舵机331、髋关节支架332、第二舵机333、大腿关节支架334、小腿关节支架335、第三舵机336、足末端支架337、足末端杆338、舵盘339、3310、3311、电位器3312、3313、3314、连接轴3315、3316、3317、电位器轴3318、电位器支架3319、电位器齿轮a3320、电位器齿轮b3321。第一舵机331安装在足部基座352上，髋关节支架332的一端通过舵盘339安装第一舵机331上，另一端安装在大腿关节支架334上，通过连接轴3315，使得足部基座352、髋关节支架332、大腿关节支架334连接在一起，连接轴3315与足部基座352相连的一端装有一个轴承，以减少髋关节支架332转动时的摩擦，另一端通过一个螺母固定。第一舵机331驱动髋关节332转动。如图6所示，第二舵机333安装在大腿关节支架334上，小腿关节支架335的一端通过舵盘3310和连接轴3316安装在第二舵机333和大腿关节支架334上。第二舵机333驱动小腿关节支架335相对大腿关节支架334转动。第三舵机336安装在足末端支架337上，小腿关节支架335的另一端通过舵盘3311和连接轴3316安装在第三舵机336和足末端支架337上，第三舵机336驱动足末端支架337相对小腿关节支架335转动。足末端杆338固连在足末端支架337上。小腿关节335中间部分两边凹陷进去，为了让足部模块子单元运动时减少与球壳模块121、122的干涉，增大足部模块子单元的运动空间。三个电位器3312、3313、3314用于测量第一舵机331、第二舵机333、第三舵机336转动的角度。电位器3312安装在电位器支架3319上，电位器支架3319安装在足部基座352上，电位器轴3318连接电位器3312和电位器齿轮a3320，电位器齿轮b3321安装在第一舵机331上，第一舵机331的运动通过电位器齿轮a3321和电位器齿轮b3320的啮合传递给电位器3312。电位器3313安装在大腿关节支架334和小腿关节支架335的转动处。电位器3314安装在小腿关节支架335和足末端支架337的转动处。

如图7所示，本发明所述机器人的支撑模块4包括龙骨43、左侧支持41、右侧支撑42。左侧支撑41与右侧支撑42的结构相同，以左侧支撑41为例说明左侧支撑41和右侧支撑42的结构。左侧支撑41包括连接板411、支撑板412、连接角支架413。支撑板412的每个轮辐上安装了连接板411，连接板411拼接成一个环形，连接角支架413竖直的一面安装在在连接板411上，呈圆周等距分布。右侧支撑42以相同的方式安装。龙骨43的两端分别安装在连接角支架413、423上，连接了左侧支撑41和右侧支撑42。连接角支架413、423曲面的一面与球壳模块的第一部分11固连，支撑板412、422中间的孔与配重驱动模块的法兰212和法兰213连接，支撑模块4起到了对本发明所述机器人的整体支撑作用。

如图8所示，本发明所述机器人的足部平衡模块分为左侧足部平衡51和右侧足部平衡52，每一侧的足部平衡模块结构相同。以右侧足部平衡52为例说明，包括导柱521、导柱垫块522、导轨523、平衡齿轮b524、基座轴套525、平衡齿轮a526、平衡电机527。平衡电机安装在支撑板422上，平衡齿轮a526安装在平衡电机527上，平衡齿轮b524中间孔通过轴承安装在基座轴套525上，基座轴套525安装在主轴21上，平衡齿轮b524的端面固连在足部基座352上，平衡齿轮a526和平衡齿轮b524啮合。导柱垫块522固连在球壳模块第二部分121上，导轨523固连在连接板422拼接成的环形上，导柱521的一端套在导柱垫块522上，另一端插入导轨523的凹槽内。基座轴套525内圆周面和外圆周面之间开有两个孔，目的是使足部导电滑环382内圈的引线从足部基座中伸出。机器人在基本球形滚动运动模式中，平衡电机527带动平衡齿轮a526转动，运动经过齿轮传动到足部基座352上，驱动足部模块的右侧部分相对球壳模块第一部分11转动。在转动过程中，会带动球壳模块第二部分122相对球壳模块第一部分11转动，球壳模块第二部分122在导柱521、导柱垫块522、导轨523的作用下，同心转动，保证了在转动过程中球形外壳的完整性，同时导柱521、导柱垫块522、导轨523使球壳模块第一部分11和球壳模块第二部分122之间的转动摩擦减少。机器人在基本足式行走模式中，平衡电机保持静止，使得足部模块相对球壳模块11保持静止，保持机器人在行走时的稳定性。

实施例二

如图9所示，当机器人遇到较高的台阶，无法依靠纯球形滚动翻越的时候，滚动驱动模块2调整机器人的重心向前倾，球壳模块第一部分11抵住台阶的边缘，足部子单元32、33从球壳模块121、122中伸展出来，足部子单元的32、33的末端接触地面，两个足部子单元与地面的接触点和球壳模块第一部分11与台阶的接触点形成三个支撑点，足部子单元32、33在舵机的驱动下，将机器人的重心抬起。在抬起的过程中，足部子单元的末端与地面保持静止，足部基座351、352在足部平衡模块5的作用下保持相对地面平行。由于在滚动过程中，滚动驱动模块2调整机器人重心偏向台阶方向。在机器人抬起的过程中，当主轴21越过台阶面6的时候，滚动驱动模块2继续保持机器人的重心前倾，足部子单元32、33收回，变成球形滚动的形态。

实施例三

如图10所示，在机器人爬较长、较陡的斜坡的过程中，可以利用机器人的足式行走运动模式爬坡。当机器人运动到坡底的时候，足部模块3的四组足部模块子单元31、32、33、34从球壳模块第二部分121、122中伸出，足末端接触地面，将机器人抬起，球壳模块第一部分11脱离地面，四组足部模块子单元31、32、33、34相互配合，按照一定的顺序动作，实现机器人的行走功能。在机器人行走的过程中，滚动驱动模块2不断调整机器人的重心，使机器人在行走过程中保持稳定。足部平衡模块5保持足部基座351、352与地面平行。当四组足部模块子单元31、32、33、34都踏上斜坡的时候，足部平衡模块5调整足部基座351、352与坡面保持平行。滚动驱动模块2的重心调整使得机器人在行走时，迈出的每一步的步幅增大，加快了爬坡的速度。

实施例四

如图11所示，在机器人遇到较宽的深沟，无法利用足式行走功能直接跨越时，可以利用机器人的球壳模块1和足部模块3共同作用，跨越深沟。当机器人运动到深沟的边缘时，足部模块子单元31、32、33、34从球壳模块第二部分121、122中伸出，前端两组足部模块子单元32、33的末端伸展到深沟对面的地面上，后端两组足部模块子单元31、34的末端落在机器人主体所在的那一侧地面上，在足部模块子单元31、32、33、34伸展的过程中，滚动驱动模块2不断调整机器人重心的位置，使机器人不发生滚动。当足末端接触到地面后，足部模块3的各关节运动，将机器人抬起，并将机器人的主体移动到深沟对面的地面上，在机器人跨越深沟的过程中，足部平衡模块5保持足部模块3相对球壳模块第一部分11和支撑模块4静止。当机器人的主体跨越深沟落地之后，足部模块子单元31、32、33、34收回到球壳模块第二部分121、122中，在收回的过程中，滚动驱动模块2调整机器人的重心，使机器人不发生滚动。

实施例五

如图12所示，本实施例与实施例一相比，结构基本相同，不同之处在于减少了滚动驱动模块。本实施例中机器人同样可以实现球形滚动和足式行走功能，滚动驱动模块的功能由足部模块实现。当机器人在球形滚动时，足部模块3的左右两侧相对球壳模块第一部分11同向转动，机器人两侧的重心发生改变，从而驱动机器人滚动。当需要机器人转向的时候，转向方式和实施例一相同。机器人的足式行走功能与实施例一相同。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的结构及控制方式做任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。