[发明专利]基于超冗余机械臂的双工作模式可变质心滚动球形机器人

说明书

本发明公开了一种基于超冗余机械臂的双工作模式可变质心滚动球形机器人，其包括球壳、机械臂系统以及三驱动装置，其中所述球壳外表面有支撑机构，所述机械臂系统为20个模块化关节和两个机械手爪组成的超冗余自由度三分支机械臂系统，所述三驱动装置包括X轴电机、Y轴电机及机械臂系统根部关节电机。本发明将机械臂系统融入球形机器人滚动过程中，以机械臂系统根部关节作为第三驱动，可实现滚动模式和对外操作模式，其中滚动模式有两种控制方法，均可在输出力矩不变情况下实现速度微调整。该球形机器人结构紧凑，响应速度快，滚动高速灵活，提高了球形机器人结构和功能的可扩展性。

技术领域

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滚动球形机器人，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滚动球形机器人的设计。

发明内容