一种带伸缩臂的滚动越障机器人的制作方法

1.本发明属于智能机器人领域，涉及一种带伸缩臂的滚动越障机器人。


背景技术：

2.机器人是一种通过手动或者自动控制，模拟人类完成各种指令的一种智能化装置。机器人可以代替人体进行各种复杂精细的操作，也可以代替人类进入复杂、危险的环境进行探索作业，保证人员安全。现有的机器人有固定设置、在一定区域范围内进行操作的固定式机器人，也有可移动的，通过机械腿、履带、滚轮等结构实现机器人的行走移动。移动式机器人可以代替人类进入一些复杂、危险的场景，如有毒害气体的空间、火场等，采集信号，指导救援。
3.滚动机器人是移动式机器人的一种，滚动机器人的壳体可以是任何适合滚动的形状，如圆球形、椭球型、鼓型、面数较多的多面体型等等，其依靠壳体自身的滚动行进。如本申请人2018年10月29日提交的中国专利，申请号为2018112678220，名称为一种全景信息采集滚动机器人。该装置在壳体左右侧壁之间架设水平设置的主轴，所述壳体为以主轴为轴线的回转体，所述主轴中心设有水平设置并与主轴相互垂直的副轴，副轴两端悬空，且副轴两端的下方吊设有摆动块。该装置机器人的行进、转弯通过设置在壳体内的摆动块绕主轴、副轴摆动分别实现。上述滚动机器人在运动过程中，以摆动块的偏转让滚动机器人重心偏置提供前进或转弯的趋势，以壳体与接触面产生摩擦力以支持滚动机器人的运动，上述滚动机器人的越障能力主要由摆动块的最大可摆动幅度来决定，一般情况下能够越过约15
°
左右的连贯坡面以及高度不超过壳体1/4
‑
1/3半径高度的90
°
台阶障碍，然而面对高度落差较大的台阶障碍时，摆动块产生的驱动力不足以克服滚动机器人自身重力产生跨上台阶的趋势，且壳体与台阶接触点滚动摩擦力偏小，可能出现滑动空转等现象，无法越过台阶。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对现有的滚动机器人翻越台阶型障碍的能力存在不足的问题，提供一种带伸缩臂的滚动越障机器人，本装置通过外置伸缩臂在滚动机器人跨越台阶型障碍时进行辅助抬升，提升滚动机器人的越障能力。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种带伸缩臂的滚动越障机器人，包括可滚动的壳体，其特征在于：所述壳体左右侧壁之间架设水平设置的主轴，主轴可相对壳体转动，主轴中心设有水平设置并与主轴相互垂直的副轴，副轴可自转并可随主轴转动，副轴下方吊设有内摆动块，所述主轴的两端伸出壳体之外并分别连接有伸缩臂，所述伸缩臂沿主轴的径向可伸缩设置。
6.本装置的滚动越障机器人，采用主轴转动带动内摆动块向前或向后摆动一个设定的角度，使整体的质量中心前移或者后移，驱动壳体向前或向后滚动，当内摆动块始终保持向前或向后摆动的姿势，壳体可以实现持续向前或向后滚动；采用副轴转动带动内摆动块左右摆动，使整体质量中心向左或向右移动，使壳体在向前或向后滚动的同时向左或向右
倾斜，实现转弯，本装置滚动机器人的滚动和转弯，主轴及副轴仅做小角度的摆动，即可驱动壳体的滚动。传统的不带伸缩臂的滚动机器人可以实现平缓地面自由滚动和转弯，也可以克服小角度障碍实现爬坡，但是碰到较高的台阶障碍时，前向驱动力不足以克服重力翻越台阶。滚动机器人壳体表面或者内侧可以搭载摄像头等图像或者视频获取元件，滚动机器人内部有姿态传感器，滚动机器人前进路线上碰到台阶，通过视频、图像信号反馈，或者在姿态传感器发现球壳被台阶卡住没有前进时，进行台阶越障操作。本装置在主轴的两端设置了伸缩臂，伸缩臂具有沿主轴径向的伸缩量，即可在垂直于主轴方向伸缩，伸缩臂的伸缩量用于将壳体向上顶升，辅助壳体翻越台阶障碍。正常平地或缓坡滚动时，伸缩臂处于收缩状态，不影响滚动机器人的滚动；本装置翻越台阶时，主轴转动带动内摆动块向台阶一侧摆动使壳体贴靠台阶并始终保持贴靠，转动伸缩臂令伸出端朝下，伸缩臂伸出端伸长将壳体持续抬升，持续减少壳体底面与台阶的相对高差，当内摆动块的驱动力足以克服壳体底面与台阶的相对高差时，壳体越过台阶继续滚动，此时伸缩臂缩回，滚动机器人恢复正常滚动。
7.作为优选，所述伸缩臂与主轴端部之间可转动连接，伸缩臂与主轴端部的转动驱动件为舵机、云台电机、直流电机或伺服电机。伸缩臂可以相对主轴端部转动，滚动机器人正常滚动时，可以将伸缩臂转动至水平或接近水平的状态，避免与地面障碍发生磕碰，此时可以以副轴为校正基准，将伸缩臂转动至与副轴平行。需要翻越台阶障碍时，将伸缩臂转动至竖直或接近竖直的角度。
8.作为优选，所述伸缩臂与主轴端部通过轴承套接，所述转动驱动件架设在主轴上带动伸缩臂转动。转动驱动件无需承受静止状态下伸缩臂的重力，也无需承受跨越台阶状态下滚动机器人整体的重力。
9.作为优选，伸缩臂与主轴端部之间设置角度控制传感器。角度控制传感器可以控制伸缩臂的角度。
10.作为优选，所述伸缩臂在主轴的两端分别设置一个或多个，主轴单独一端伸缩臂收缩状态下的重心位于主轴轴线上，主轴两端所有伸缩臂收缩状态下的中心位于壳体中垂面上。伸缩臂在主轴两端分别设置，最优选择为对称设置，且通过重心安装位置选择或者配重的调整，让伸缩臂收缩状态下的中心位于主轴轴线上，避免对滚动机器人正常滚动造成负面影响。
11.作为优选，所述伸缩臂为电动推杆、气动杆或液压杆。
12.作为优选，所述伸缩臂收缩状态下，伸缩臂的两端不超过壳体的滚动环周面；所述伸缩臂伸出状态下，伸缩臂的伸出端伸出至壳体的滚动环周面之外。滚动环周面为壳体的绕主轴的最大回转半径所在的面，避免伸缩臂端部伸出影响正常滚动。
13.作为优选，所述伸缩臂的伸出端设有提高摩擦系数的摩擦块。
14.作为优选，所述主轴上设有主轴驱动装置，所述主轴和副轴的交叉处设置有副轴驱动装置。
15.作为优选，所述壳体为左右对称结构，壳体环绕主轴的环周中部为前后方向运动的圆环形主滚道。主滚道可以采用高强度耐磨材料制成。
16.作为优选，所述壳体为球形、椭球形、横置的圆柱型或者鼓型。壳体也可为拟合为球形、椭球型、圆柱型、鼓型的多面体结构，只要面数足够多，如30面体，也可达到滚动的效
果，这种改变应视为球形、椭球型、圆柱型、鼓型的等同替换。
17.本发明在滚动机器人翻越台阶时，设于壳体外部、主轴两端的伸缩臂可以向下顶升，使壳体持续抬升翻越台阶，本装置大大提升了滚动机器人的越障能力，提升了滚动机器人的地形适应能力，当使用场景为楼梯时，本发明的滚动机器人可在楼梯上连续翻越台阶，具备爬楼能力。
附图说明
18.图1是本发明的内摆动块驱动壳体滚动的原理示意图。
19.图2是本发明的鼓型壳体内部结构示意图。
20.图3是本发明的壳体外部设置伸缩臂的结构示意图。
21.图4是本发明的滚动机器人正常滚动时的伸缩臂状态示意图。
22.图5是本发明的滚动机器人跨越台阶的理论模型示意图。
23.图6是本发明的滚动机器人跨越台阶前的侧视结构示意图。
24.图7是本发明的滚动机器人跨越台阶后的侧视结构示意图。
25.图8是本发明的伸缩臂的转动驱动件结构示意图。
26.图中：1、壳体，2、主轴，3、副轴，4、内摆动块，5、主轴驱动装置，6、副轴驱动装置，7、主轴驱动电机，8、主轴驱动齿轮组，9、伸缩臂，10、推杆电机，11、舵机，12、伸出端，13、伸缩臂连接座，14、伸缩臂连接轴承。
具体实施方式
27.下面通过具体实施例并结合附图对本发明进一步说明。
28.实施例：一种带伸缩臂的滚动越障机器人，如图2
‑
4所示。本装置包括可滚动的壳体1，壳体为环绕水平主轴的回转体结构，壳体可以为球形、椭球型、圆柱型、鼓型等等。本实施例中壳体结构如图2所示，为两侧平面、中间为球面凸起的鼓型。壳体为左右对称结构，壳体环绕主轴的环周中部球面型凸起即为滚动机器人滚动时与地面接触的主滚道。
29.本方案中，滚动机器人的滚动原理如图1所示，壳体1左右侧壁之间架设水平设置的主轴2，主轴可相对壳体转动，主轴两端与壳体采用轴承可转动连接。主轴2中心设有水平设置并与主轴相互垂直的副轴3，副轴可自转并可随主轴转动，副轴两端悬空，且副轴两端的下方固定吊设有内摆动块4。当滚动机器人需要前进或者后退时，主轴转动，副轴设置在主轴中部且两端悬空，因此副轴被主轴带动绕主轴转动一个角度，从而带动内摆动块向前或者向后摆动，造成整体质心的前移或者后移，从而带动滚动机器人前进或者后退。当滚动机器人需要转弯时，主轴持续转动保持滚动机器人稳定前进或者后退，同时副轴绕自身轴线转动，带动内摆动块向左侧或者右侧摆动，使整体质心向一侧偏移，使滚动机器人向一侧倾斜，从而实现转弯。
30.本发明的滚动机器人壳体1内部结构如图2所示。主轴2上设有主轴驱动装置5，所述主轴2和副轴3的交叉处设置有副轴驱动装置6。主轴驱动装置5包括一个主轴驱动电机7，所述主轴驱动电机固定吊设在主轴的下方，主轴驱动电机轴线和主轴轴线相互平行，主轴驱动电机和主轴上分别设置有相互啮合的主轴驱动齿轮，构成传递扭矩的主轴驱动齿轮组8，主轴驱动电机输出端设有减速器。所述副轴驱动装置6包括设置在主轴上的副轴驱动电
机，副轴驱动电机和副轴上分别设有相互啮合的副轴驱动齿轮，构成传递副轴转动扭矩的副轴驱动齿轮组，副轴驱动电机输出端设有减速器。
31.本发明的滚动机器人壳体1外部结构如图3、4所示。主轴2的两端伸出壳体1之外并分别连接有一个伸缩臂9，所述伸缩臂沿主轴的径向设置。伸缩臂为电动推杆，伸缩臂一端为控制端，另一端为伸缩端12，伸缩臂的控制端一侧设置有推杆电机10。伸缩臂9与主轴之间通过舵机11实现可转动连接，舵机上集成有角度控制传感器。如图8所示，伸缩臂9抱夹固定在伸缩臂连接座13上，伸缩臂连接座13通过伸缩臂连接轴承14直接安装在主轴2的端部，舵机11也抱设在主轴2上并连接伸缩臂连接座13，这样既能控制伸缩臂转动并反馈角度控制信息，又能让伸缩臂重量直接由主轴承受，无需舵机转接，减少舵机负重，保证控制精度。伸缩臂9通过安装位置的调节，保证当伸缩臂处于收缩状态时，伸缩臂9的中心位于主轴轴线上，且主轴2两端的伸缩臂9对称设置，主轴两端伸缩臂的合重心位于壳体中垂面上，避免壳体两侧失衡。伸缩臂收缩时，两端均缩至壳体主滚道环周的内侧。
32.本方案滚动机器人翻越台阶的计算过程如图5所示，滚动机器人翻越台阶前后状态如图6、7所示。当台阶高度不超过壳体半径，设定壳体与台阶接触点为点a，壳体与地面接触点为点b，壳体半径为r，台阶高度为h=xr，x取值范围为0到1，点b到点a地面投影点的距离为d，壳体跨越上台阶后，中心到点b的距离为l、伸缩臂与地面垂直线夹角为θ。
33.计算可得，点b到点a地面投影点的距离为：；由上式得，壳体跨越上台阶后，壳体主轴到点b的距离：，x取最大值1时，伸缩臂伸出端12与主轴之间的距离达到最大，为2.236r。
34.计算完全跨越台阶后伸缩臂与角地面垂直线角度θ如下，， 求导得：，当x=0.5时，θ取极大值，为30
°
。
35.tan30
°
≈ 0.5774，故接触点b摩擦系数若大于0.5774时，摩擦力可自锁，伸缩臂不会打滑，提供足够的升力使滚动机器人跨越台阶。
36.因此，若需要翻越与壳体半径等高的台阶，伸缩臂的伸缩端12处于最大伸出行程时，伸缩臂的伸缩端12的端点与主轴的间距为滚动机器人壳体半径的2.236倍以上，收回状态下伸缩臂整体长度小于滚动机器人壳体直径，伸缩臂伸出端12设置摩擦块，摩擦块与地面接触点摩擦系数不小于0.5774，伸缩臂轴向力根据壳体自重不同而需求不同，本实施例中伸缩臂轴向力为1000n以上。舵机11无需时刻供电保持特定角度，仅通过摩擦力自锁，使合力通过主轴，将壳体抬起。
37.当台阶高度超越壳体半径，伸缩臂伸出端伸长可以将壳体抬高，壳体沿台阶竖直侧壁向上滚动直至与台阶棱边接触形成上述计算过程的a点，当伸缩臂的伸缩端12最大伸出行程超过滚动机器人壳体半径的2.236倍以上，滚动机器人可以理论上可以翻越超过壳
体半径高度的台阶。实际测试中，半径20cm 的壳体可翻越22cm高的台阶。
38.壳体内还设置控制系统及电源模块，控制系统包括用于检测机器人和驱动系统的即时动态的动态状态传感器以及pid控制器，传感器包括gps、至少一个陀螺仪，至少一个加速度传感器及码盘。gps、陀螺仪、加速度传感器、pid控制器可以安装在主轴和副轴的交叉处，码盘安装在电机输出轴上。并且它们各自的检测数据通过有线或无线传输到控制单元或外部的远程计算机以供进一步处理。电源模块可以为主轴主动装置和副轴驱动装置、各控制系统、伸缩臂供电。
39.本方案的滚动机器人正常平地或缓坡滚动时，伸缩臂处于收缩状态，伸缩臂转动到与副轴平行的状态，不影响滚动机器人的滚动；本装置翻越台阶时，主轴转动带动内摆动块向台阶一侧摆动使壳体贴靠台阶并始终保持贴靠，转动伸缩臂伸出端朝下，伸缩臂伸出端伸长抵靠底面将壳体持续抬升，持续减少壳体底面与台阶的相对高差，当内摆动块的驱动力足以克服壳体底面与台阶的相对高差时，壳体越过台阶继续滚动，此时伸缩臂缩回并转动与副轴平行的状态，滚动机器人恢复正常滚动。