基于超冗余机械臂的双工作模式可变质心高速滚动三驱动球形机器人的制作方法

本发明涉及一种基于超冗余机械臂的双工作模式可变质心高速滚动三驱动球形机器人，具体地说是一种将超冗余自由度三分支机械臂系统作为第三驱动，既可通过机械臂位置及构型变换实现多控制模式的高速滚动，又可以展开球壳通过超冗余自由度三分支机械臂系统进行对外操作的球形机器人，属于机器人领域。

背景技术：

传统的机器人多用在标准的工厂化生产中，一般是一种简单可靠的应用场景。而在诸如管道、水下、矿山等条件恶劣，不可控因素较多的场景中，传统机器人存在着诸如移动困难、可靠性差等缺点，因而很难适应这些特殊场合的工作环境。而球形机器人由于其特殊的形状和较为封闭内部执行环境等优点，克服了这些问题。关于球形机器人国内外的研究已经进行了二十多年。最早设计出第一台真正意义上的球形机器人的是1996年荷兰的a.halme等人。该球形机器人的驱动力矩是由安装在球壳内的一套单轮机构提供的，单轮紧贴球壳内壁滚动驱动球形机器人的运动。申请号为201810324495.1的一种球形机器人，该球形机器人球壳内部包括提供驱动力的主动机构和从动机构，其中主动机构的驱动轮和从动机构的从动轮均与球壳始终接触，由于主动机构的重量远大于从动机构，该球形机器人的驱动力通过主动机构产生，由较轻的从动机构带动球壳转动。申请号为201720818138.1的一种球形变胞机器人，该机器人包括支撑框架、伸缩组件、上肢组件和下肢组件，其中支撑框架上安装有上下导轨板、主舵机和齿轮传动机构等复杂组件，该机器人通过复杂的结构设计和传动，实现了球形机器人的变胞展开。申请号为201610887867.2的双驱动球形探测机器人，该球形机器人由透明材质球壳和球壳内的驱动装置组成，驱动力来自驱动装置上的左主动轮和右主动轮，另有导向装置，对驱动轮起导向作用。申请号为200810111880.4的三驱动球形机器人，该球形机器人球壳内表面设有轨道，轨道内表面设有环形齿条，一行走支架通过与所述齿条相啮合的行走轮与轨道相连，行走支架上安装轨道电机，另有长轴电机、短轴电机分别与转动支架和球框相连，短轴电机上安装重摆。通过轨道电机、长轴电机、短轴电机各自转动或配合转动，该球形机器人实现全向滚动。

在上述球形机器人中，有的球形机器人在结构上进行了精简与改进，也有的球形机器人在功能上做了扩展，虽然它们在设计中不断创新和完善，但是现有三驱动球形机器人仍然存在着内部结构不稳定，实际应用性差的特点。而结构精简与改进后的球形机器人功能极其有限，只能完成简单的前后行走，缓慢转弯，不能满足实际应用中对于球形机器人功能和控制多样化的要求。实际应用中，球形机器人通常不仅仅要能走起来，而且对球形机器人的行走快速性，转弯快速性，容错性及辅助操作性等多种性能方面都提出了要求。

现有的球形机器人技术中，带有机械臂的球形机器人主要将其机械臂应用在对外操作过程中，而在球形机器人的滚动过程中机械臂不起作用或者只起到有限的辅助作用，并且该辅助作用是以大大降低球形机器人滚动速度与灵活性为前提。同时这类球形机器人的驱动部分与机械臂部分为互相分离的两部分，这种设计导致球形机器人的结构复杂，进而限制了结构和功能的可扩展性。

针对目前球形机器人设计存在的控制方法单一化、灵活性不足以及滚动过程中机械臂的功能性差等一系列问题，需进一步探索和研究一种基于超冗余机械臂的双工作模式可变质心高速滚动三驱动球形机器人的设计。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种采用第三驱动方式与现有三驱动球形机器人不同的球形机器人方案，并可提供两种工作模式：滚动模式和对外操作模式，将机械臂融入球形机器人的滚动模式中，滚动模式下可采用两种控制方法，每种控制方法下可实现速度微调整，并将这些互相无交叉的功能合为一体。

为实现上述的目的，发明提供的解决方案是：

本发明提出一种基于超冗余机械臂的双工作模式可变质心高速滚动三驱动球形机器人，包括球壳和壳内三驱动装置；所述球壳为碳纤维材质制成，包括对外操作模式下球壳外表面的支撑机构；

所述壳内三驱动装置包括：x轴方向的电机及轴承支架、y轴方向的电机及轴承支架、支撑框架、主框架、超冗余自由度三分支机械臂系统，其结构关系为：在x轴方向，该方向的电机及轴承支架分别将支撑框架内表面和主框架两端连接在一起；在y轴方向，该方向的电机及轴承支架分别将球壳内表面和支撑框架外表面的两端连接在一起；x轴方向的电机与y轴方向的电机始终相互垂直；超冗余自由度三分支机械臂系统通过机械臂系统根部关节电机安装在主框架中间位置；

所述超冗余自由度三分支机械臂系统包括20个模块化关节和两个机械手爪；两个机械手爪分别安装在超冗余自由度三分支机械臂系统的末端。

本发明的运动原理为：

本发明所述的一种基于超冗余机械臂的双工作模式可变质心高速滚动三驱动球形机器人，该机器人的双工作模式为滚动模式和对外操作模式。

在对外操作模式下，球壳在xoy平面处自动张开，球壳进行自变形为机械臂系统操作提供支撑，球壳内的超冗余自由度三分支机械臂系统进行对外操作。

滚动模式下，超冗余自由度三分支机械臂系统根部关节为球形机器人的第三驱动，该模式初始状态下，超冗余自由度三分支机械臂系统的左右臂姿态相同且关于yoz平面对称。机械臂系统自身质量大，转动惯量大，具备传统球形机器人重摆的特点。通过x轴方向的电机和y轴方向的电机驱动，球形机器人可沿平面作全方位滚动，通过机械臂系统根部关节电机，即球形机器人第三驱动电机的作用下，球形机器人可实现绕z轴转动。

在滚动模式的初始状态下，通过x轴方向的电机变换超冗余自由度三分支机械臂系统的位置，使三分支机械臂的主体位置由球形机器人xoy平面以下转换到xoy平面以上，实现机械臂系统的变位置功能。通过机械臂系统的变位置功能，球形机器人获得两种控制模式：配重驱动控制模式(机械臂系统在xoy平面以下)和倒立摆式的控制模式(机械臂系统在xoy平面以上)，两种不同的控制模式能够使球形机器人实现控制多样化，满足不同的任务需求。

球形机器人不仅仅可以通过机械臂系统的变位置功能获得两种控制模式，在这两种控制模式下，还可以通过机械臂系统构型变换调节球形机器人机械臂系统的质心位置，使球形机器人在输出扭矩不变的情况下实现运动速度微调整。

本发明的优点与效益：

本发明所述的基于超冗余机械臂的双工作模式可变质心高速滚动三驱动球形机器人，采用全新的第三驱动方式，将机械臂的功能融入到了球形机器人滚动过程中，解决了球形机器人的辅助机械臂功能性不足的问题。该三驱动球形机器人有两种工作模式，既可以实现展开球壳通过超冗余自由度三分支机械臂系统进行对外操作，又可以实现将超冗余自由度三分支机械臂系统作为第三驱动，通过机械臂系统变位置功能以及构型变换功能调节机器人质心位置的多控制方法下的高速滚动。这种设计不仅使得球形机器人响应速度更快，运动更加灵活，运动的容错性大大提高，而且也提高球形机器人结构和功能的可扩展性。

附图说明

图1为本发明滚动模式下的结构示意图。

图2为本发明在对外操作模式下球壳展开并伸出支撑机构的结构示意图。

图3为本发明对外操作模式下的结构示意图。

图4为超冗余自由度三分支机械臂系统的结构示意图。

图5为超冗余自由度三分支机械臂系统不同位置及构型情况下的质心位置示意图。

图中的附图标记为：1-x轴方向的电机；2-x轴方向轴承支架；3-y轴方向的电机；4-y轴方向轴承支架；5-机械手爪；6-支撑框架；7-主框架；8-超冗余自由度三分支机械臂系统；9-球壳；901-球壳外表面的支撑机构；10-机械臂系统根部关节电机。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

示意图1为本发明在滚动模式下的结构示意图，包括碳纤维材质制作的球壳9和位于球壳内部的壳内三驱动装置。壳内三驱动装置包括x轴方向的电机1、x轴方向轴承支架2、y轴方向的电机3、y轴方向轴承支架4、手爪5、支撑框架6、主框架7、超冗余自由度三分支机械臂系统8，其结构关系为：在x轴方向，该方向的电机1及轴承支架2分别将支撑框架6内表面和主框架7两端连接在一起；在y轴方向，该方向的电机3及轴承支架4分别将球壳9内表面和支撑框架6外表面的两端连接在一起；x轴方向的电机1与y轴方向的电机3始终相互垂直；通过机械臂系统根部关节电机10将超冗余自由度三分支机械臂系统8安装在主框架7中间位置；两个机械手爪5分别安装在超冗余自由度三分支机械臂系统8的末端。

滚动模式下，超冗余自由度三分支机械臂系统8的根部关节电机10作为球形机器人的第三驱动。该模式初始状态下，如示意图1所示，超冗余自由度三分支机械臂系统8的左右臂姿态相同且关于yoz平面对称。利用机械臂系统8自身质量大，转动惯量大的特点，通过x轴方向的电机1和y轴方向的电机3配合作用，球形机器人可沿平面作全方位滚动，通过机械臂系统根部关节电机10，即球形机器人第三驱动电机的作用下，球形机器人可实现绕z轴转动。

示意图2为本发明在对外操作模式下球壳展开并伸出支撑机构的结构示意图，在对外其操作模式下，球壳9在xoy面处自动展开后，球壳9自变形提供球壳外表面的支撑机构901，可为超冗余自由度三分支机械臂系统8操作提供稳定支撑。

示意图3为本发明在对外操作模式下的结构示意图，该模式下，球壳9在xoy面处自动张开；超冗余自由度三分支机械臂系统8进行操作动作，完成相关的工作过程后，球壳9自动闭合，重新回到滚动模式。

示意图4为超冗余自由度三分支机械臂系统8的示意图，包括20个模块化关节；一方面，超冗余自由度三分支机械臂系统8可以执行对外操作任务；另一方面，超冗余自由度三分支机械臂系统8还可以通过位置及构型变换功能调节机器人质心位置，驱动球形机器人全方位运动。

示意图5为超冗余自由度三分支机械臂系统不同姿态时的质心位置示意图，在滚动模式的初始状态下，超冗余自由度三分支机械臂系统8作为第三驱动，通过x轴方向的电机1变换超冗余自由度三分支机械臂系统8的位置，使三分支机械臂8的主体位置由球形机器人从xoy面以下转换到xoy面以上，实现机械臂系统8的变位置功能，通过机械臂系统8的变位置功能，球形机器人获得两种控制模式：质心微移动式的控制模式和倒立摆式的控制模式，其中(a)、(b)和(c)图为质心微移动式的控制模式，(d)、(e)和(f)图为倒立摆式的控制模式，两种不同的控制模式能够使球形机器人实现控制多样化，满足不同的任务需求。

球形机器人不仅仅可以通过机械臂系统8的变位置功能获得两种控制模式，在这两种控制模式下，还可以通过机械臂系统8构型变换调节球形机器人的机械臂系统8的质心位置，即变构型功能，使球形机器人在输出扭矩不变的情况下实现运动速度微调。

变换超冗余自由度三分支机械臂系统8的姿态，即将超冗余自由度三分支机械臂系统8作为第三驱动，使球形机器人的质心位置改变，此时x轴方向的电机1、y轴方向的电机3的转动会使球壳9全方向滚动；当球壳9在运动时，实时控制超冗余自由度三分支机械臂系统8的姿态，能够使球形机器人迅速转向和速度微调，这种设计使得球形机器人的运动更加高速灵活。

对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。