[发明专利]一种具有滚动运动与足式行走功能的机器人

说明书

技术领域

   本发明涉及一种可变形机器人。更明确地，本发明涉及一种具有滚动运动以及四足行走功能的变形机器人。属于机器人技术领域。

背景技术

移动机器人在军事、科研、教育、生活等方面已获得广泛的研究和应用。按照其移动形式的不同，通常分为轮式、履带式、足式、蠕动式、滚动式、游动式等。

作为滚动式移动机器人的代表形态，球形机器人具有球形或近似球形的外壳结构，当机器人发生碰撞或从高处跌落时,球形外壳不仅能有效保护机器人的内部结构与元件，也易使机器人姿态快速回复至静平衡状态，因而具有良好的抗干扰性。球形机器人的主要运动方式为滚动, 即通过内部驱动装置的运动改变球体结构的静平衡状态从而产生旋转运动, 这样的运动方式使其具有较高的运动效率和运动速度。球形机器人的驱动原理可分为两种：一种是驱动单元直接接触并驱动球壳转动。芬兰赫尔辛基科技大学和流浪者公司的Aarne Halme等人采用此原理研制了第一款球形机器人Rollo，该类型的机器人结构相对简单，易于控制，但是转向能力较差，受到碰撞之后驱动单元与球壳之间的接触容易被破坏。另一种是通过驱动单元的运动改变机器人的重心位置，从而驱动机器人运动。北京航空航天大学的战强等人采用该原理研制了球形机器人BHQ-2，该类型的机器人运动灵活，抗震性强，但控制难度大[1-2]。与传统的轮式、足式移动机器人相比, 球形机器人具有运动快速、高效以及抗干扰性强的独特优势，但其目前的研究重点依旧集中在驱动方式的验证与机器人结构的设计与改进上。受限于现有技术水平，球形机器人潜在的运动性能优势尚没有得到最大程度上的发挥。

相比球形机器人，足式步行机器人具有运动形态多样、承载能力强、地形适应性好以及静态稳定性好的特点，在军事、探测、抢险救灾、文教娱乐等领域已取得了很好的应用并具有广阔的发展前景，其研制工作一直受到国内外的重视，并已有大量相关专利（专利号：US6484068B1、US8126592B2、ZL201010569579.5、ZL201010538211.2等）。但另一方面，足式机器人也有控制较难、运动效率低等不足。

球形机器人与足式步行机器人具有各自的优缺点，融合两者核心优势能使机器人对真实地形的适应性更好，并有效改善各自的不足。2012年，挪威工程师Kare Halvorsen研制了MorpHex[3]，实现了机器人滚动运动与足式行走功能的结合。该机器人可以实现六足仿生爬行、球形滚动以及两者之间的状态切换。其六足结构被分为相互间隔的两组，既可通过组间交替运动实现行走，亦可借助肢体伸缩与地面接触所提供的摩擦力实现球形的滚动，但其滚动运动速度较低，且控制难度大。现有的兼具滚动和仿生行走功能的机器人非常少见，其具体原因在于：

（1）球形机器人作为一种较新型的移动机器人形态，相关技术尚处研究阶段，其驱动方式、运动灵活性均有待提高。

（2）球形机器人与足式机器人在结构上差异很大，难以在仅保留各自优点的基础上强制直接结合。

参考文献

[1] Rhodri H. Armour, Julian F. V. Vincent. Rolling in Nature and Robotics: A Review. Journal of Bionic Engineering, 2006, vol 3, pp 195-208.

[2] 赵勃, 孙立宁, 李满天. 球形机器人研究综述[J]. 机械与电子, 2010 (009): 63-68.

[3] MorpHex相关资料网页http://robot-kits.org/2013/01/02/morphex-iii-becomes-boca-bearing-companys-innovation-contest-winner/

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种具有滚动运动和足式行走功能的机器人，实现在平坦地形中的快速滚动与在复杂地形中的可靠运动，提升机器人对于真实复杂地形环境的适应能力和运动效率。