专利名称：一种翻滚机器人的制作方法
技术领域：
本实用新型属于机器人技术领域，适用于星球探测，为一种翻滚机器人。
技术背景 目前，传统的移动机器人主要采用轮式、履带式和腿式三种运动方式。轮式机器人具有结构简单、速度高和能耗低的优点，但是不适合跨越像沟壑、台阶等障碍，越障能力差；履带式机器人在松软、不平坦地形等自然环境中有着较好的适应能力，缺点是重量大，摩擦阻力大，能耗高；腿式机器人具有较好的机动性，容易适应各种复杂地面环境，但是需要依靠腿交替支撑实现行走以及保持平衡，运动控制复杂。此外，传统的移动机器人对星球表面进行探测时，由于通讯时滞的存在，往往会因崎岖、复杂的地形以及不可通过的障碍物而导致机器人发生倾覆，从而丧失运动能力，致使探测任务失败。如用于火星、月球探测的轮式机器人，可能在半自主行走过程中遇到不可预知障碍而发生倾覆；用于在软质土壤中探测的机器人可能会陷入其中而丧失运动能力。直杆式翻滚机器人是一种具有新颖运动形式的移动机器人，依靠两侧直杆旋转调整自身重心以实现翻滚运动。它不存在传统的移动机器人难以解决的倾覆问题，具有较好环境适应能力和越障能力，因而有广阔的应用前景。目前，对翻滚式机器人，尤其是直杆式翻滚式机器人的研究尚不多见。
发明内容针对现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种翻滚机器人，不存在传统的移动机器人难以解决的倾覆问题，具有较好环境适应能力和越障能力，更适用于星球探测。本实用新型的技术方案为一种翻滚机器人，包括机身、翻转机构、传感单元、通信控制单元和电源模块，机身为左右对称结构，对称的两侧为机身两侧，翻转机构设置在机身两侧，传感单元、通信控制单元和电源模块设置在机身内，传感单元连接通信控制单元，通信控制单元的输出连接至翻转机构，电源模块向传感单元、通信控制单元和翻转机构供电，所述机身包括机架和机盖，机架与机盖固定为一体，机架两侧设有两个结构相同、对称分布的固定架，用于固定翻转机构；所述翻转机构分成左右对称、结构相同的两部分，分别由两个相同的驱动减速电机独立驱动；每部分包括驱动减速电机、传动齿轮、传动轴和直杆旋转臂，驱动减速电机固定于机架内部的固定架上，两个驱动减速电机在机架内位置左右对称，驱动减速电机的输出轴通过传动齿轮带动传动轴，传动轴为阶梯轴，一端带有内螺纹孔，一端带有轴肩，传动轴带有轴肩一端与传动齿轮联动，并通过固定架固定轴肩位置，传动轴另一端连接至直杆旋转臂，直杆旋转臂与传动轴联动，直杆旋转臂的长度大于机身两侧长度的一半。机身的左右对称为不规则多边形，所述多边为五边以上。机身为上窄下宽结构，直杆旋转臂设置在下部两侧，传动齿轮为第一直齿圆锥齿轮和第二直齿圆锥齿轮，驱动减速电机的输出轴固定连接第一直齿圆锥齿轮，第一直齿圆锥齿轮与第二直齿圆锥齿轮啮合，传动轴带有轴肩一端与第二直齿圆锥齿轮套接。传动轴与直杆旋转臂的连接处设有一组垫圈，加固连接。本实用新型机器人采用翻滚运行形式，通俗的说，该机器人不存在正反面之分。在复杂环境中行走的腿式或是轮式等传统机器人，在越过沟壑或是障碍时候，可能发生倾覆或是倾侧，而无法继续运行，而本实用新型通过直杆旋转臂实现机身翻滚前进，只要一对直杆旋转臂能同方向旋转，即可带动机身移动，不存在倾覆或倾侧的问题。如图4所示的地形，如果是传统的轮式或是腿式机器人，很难爬上台阶，或在爬上的过程中需要小心调整姿势和重心，但是本实用新型机器不存在此类问题。本实用新型的有益效果主要表现在I)依靠直杆旋转臂的旋转和机身与地面的接触，调整机器人重心以实现翻滚运动；2)本实用新型不存在传统移动机器人难以解决的倾覆问题； 3)相比同体积大小的传统移动机器人，有更好的环境适应能力和越障能力；4)翻转结构简单，易于控制，并且便于模块化、小型化，可以搭载多种传感器，便于配合机动性能较好的大型机器人完成探测任务。
图I是本实用新型的机器人外形图。图2是本实用新型的机器人机构装配图。图3是本实用新型的机器人系统结构框图。图4是本实用新型实施例的直杆式翻滚机器人爬上台阶的示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图对本实用新型作进一步详细说明。参见图I、图2、图3所示，本实用新型的直杆式翻转机器人，它包括机身、翻转机构、传感单元、通信控制单元和电源模块。机身为左右对称结构，对称的两侧为机身两侧，翻转机构设置在机身两侧，传感单元、通信控制单元和电源模块设置在机身内，传感单元连接通信控制单元，通信控制单元的输出连接至翻转机构，电源模块向传感单元、通信控制单元和翻转机构供电。机身除了左右对称之外，关于形状要求一般为不规则多边形，比如图2所示，也可以为梯形，但是一般不建议采用三角形或是四边形，因为这个不利于机器人行进，例如如果是三角形，则很难保持较好的直线行走。所述的机身包括机架I和机盖2，机架I与机盖2通过螺丝固定为一体。机架I内部有两个结构相同、对称分布的固定架，用于固定翻滚机构。所述的翻转机构分成左右对称、结构相同的两部分，分别由两个相同的驱动减速电机独立驱动；每部分包括驱动减速电机3、第一直齿圆锥齿轮4、小垫圈5、大垫圈6、第二直齿圆锥齿轮7、传动轴8、直杆旋转臂9。驱动减速电机3通过螺丝固定于机架I内部的固定架上，其输出轴固定连接第一直齿圆锥齿轮4。传动轴8为阶梯轴，一端带有内螺纹孔，一端带有轴肩。传动轴8带有轴肩一端与固定架、第二直齿圆锥齿轮7连接，第二直齿圆锥齿轮7与其固定连接。传动轴8另一端分别与大垫圈6、直杆旋转臂9、小垫圈5连接。直杆旋转臂9、小垫圈5与传动轴8通过紧固螺钉固定连接。所述的驱动减速电机3通电工作时，通过第一直齿圆锥齿轮4与第二直齿圆锥齿轮7的啮合驱动传动轴8，传动轴8带动直杆旋转臂9旋转，直杆旋转臂9可以360°旋转。本实用新型中，驱动减速电机用于带动传动轴转动，根据机身形状大小，可以选择合适的传动齿轮调整方向，如上述实施例中采用两个直齿圆锥齿轮传动，是为了实现该机器人尽可能小型化，若是采用电机输出轴直接带动直杆旋转臂，则容易导致机器人左右宽度变大，所以不建议电机输出轴直接带动。上述实施例中，机器人的形状上为上窄下宽，其实是在仿一种海生生物大菱鲆， 也可以举一个比较我们接近的生物——青蛙，直杆式旋转臂一般紧贴机器人两侧，这种形状有利于机器人的直线行进，直杆旋转臂的长度大于机身两侧长度的一半，保证在旋转过程中不受机身影响始终能接触地面即可，较长的长度有利于更好的翻越障碍。所述的传感单元用于收集环境信息，并发送该环境信息给通信控制单元，包括超声波测距传感器和温湿度传感器。超声波测距传感器用于测量障碍物，温湿度传感器用来收集所处环境的温湿度信息。通信控制单元用于接收来自传感器单元发送的环境信息和上位机发送的控制命令，控制机器人动作；电源模块为机器人各单元提供所需要的电能。参见图4所示，直杆式翻滚机器人爬上台阶的示意图。机器人开始运动前，两直杆旋转臂处于合拢状态。机器人收到命令后，两直杆旋转臂同时向后侧旋转。直杆旋转臂与地面接触后继续旋转，机器人后部抬起，前部与地面接触。随着机器人重心不断前移，在重力的作用下，机器人实现翻滚。在机器人前部与台阶上沿接触后，直杆旋转臂继续旋转，直至机器人在重力作用下前倾，从而成功爬上台阶，其中I)旋转过程中，会出现机身竖直立在地面上的情况，但由于直杆式旋转臂长度长于机身，直杆旋转臂能接触到地面，不会出现无法翻滚的情况，电机扭矩足以实现机器人翻滚，并且通过控制电机可以实现直杆式旋转臂的正反转，调整机器人位置和姿势。2)如图4，所述的机器人前部抬起去接触到台阶上沿，图中看到的直线包括粗线和细线，代表的是两个直杆式旋转臂一起运动的，两个直杆式旋转臂同时旋转。3)第二张图的状态到第三张图，是依靠直杆旋转臂旋转，实现机器人不断向前翻滚的，图4中第三张图示意的是机器人前部接触台阶前沿，也可能出现机器人后部接触的，在本实用新型中，电机的扭矩足以支持机器人抬起机身，实现翻滚。
权利要求1.一种翻滚机器人，其特征是包括机身、翻转机构、传感単元、通信控制单元和电源模块，机身为左右对称结构，対称的两侧为机身两侧，翻转机构设置在机身两侧，传感单元、通信控制单元和电源模块设置在机身内，传感单元连接通信控制单元，通信控制单元的输出连接至翻转机构，电源模块向传感单元、通信控制单元和翻转机构供电，所述机身包括机架和机盖，机架与机盖固定为一体，机架两侧设有两个结构相同、对称分布的固定架，用于固定翻转机构；所述翻转机构分成左右对称、结构相同的两部分，分别由两个相同的驱动减速电机独立驱动；每部分包括驱动减速电机、传动齿轮、传动轴和直杆旋转臂，驱动减速电机固定于机架内部的固定架上，两个驱动减速电机在机架内位置左右对称，驱动减速电机的输出轴通过传动齿轮带动传动轴，传动轴为阶梯轴，一端带有内螺纹孔，一端带有轴肩，传动轴带有轴肩一端与传动齿轮联动，并通过固定架固定轴肩位置，传动轴另一端连接至直杆旋转臂，直杆旋转臂与传动轴联动，直杆旋转臂的长度大于机身两侧长度的一半。
2.根据权利要求I所述的ー种翻滚机器人，其特征是机身的左右对称为不规则多边形，所述多边为五边以上。
3.根据权利要求I或2所述的ー种翻滚机器人，其特征是机身为上窄下宽结构，直杆旋转臂设置在下部两侧，传动齿轮为第一直齿圆锥齿轮和第二直齿圆锥齿轮，驱动减速电机的输出轴固定连接第一直齿圆锥齿轮，第一直齿圆锥齿轮与第二直齿圆锥齿轮啮合，传动轴带有轴肩一端与第二直齿圆锥齿轮套接。
4.根据权利要求I或2所述的ー种翻滚机器人，其特征是传动轴与直杆旋转臂的连接处设有一组垫圈，加固连接。
专利摘要一种翻滚机器人，包括机身、翻转机构、传感单元、通信控制单元和电源模块，机身为左右对称结构，翻转机构设置在机身两侧，传感单元、通信控制单元和电源模块设置在机身内，传感单元连接通信控制单元，通信控制单元的输出连接至翻转机构，电源模块向传感单元、通信控制单元和翻转机构供电，所述翻转机构分成左右对称、结构相同的两部分，分别包括驱动减速电机和直杆旋转臂，驱动减速电机驱动直杆旋转臂旋转，进而带动整个机器人翻转。本实用新型机器人采用翻滚运动形式，不存在传统移动机器人难以解决的倾覆问题，相比同体积大小的传统移动机器人，有更好的环境适应能力和越障能力，结构简单，便于模块化、小型化，更适用于星球探测。
文档编号B64G1/16GK202608928SQ20122016620
公开日2012年12月19日 申请日期2012年4月18日 优先权日2012年4月18日
发明者宋光明, 孙洪涛, 乔贵方, 张军, 葛剑, 宋爱国 申请人:东南大学