一种模块化球形机器人

本发明涉及球形机器人，具体涉及一种模块化球形机器人。

背景技术：

1、30多年来，机器人专家一直在追求模块化的自重构机器人这一愿景。这种机器人在适应性、可扩展性和鲁棒性方面具有显著优势，其应用领域涵盖太空探索、可重构环境、搜索救援等。然而，小型模块化机器人单体的自主作业能力往往比较有限，现行研究着重在解决多机自重构并以集群协作方式实现较复杂功能的方向。

2、公告号为cn111216141b的中国发明专利公开了一种可对接重构球形机器人，其在单体球形机器人上设置公口和母口，并借助相邻两个单体球形机器人的公口和母口对接实现球形机器人的重构，这种设计方式虽然连接可靠，但是只能实现定点插接，对中难度较大。而公开号为cn115366083a的中国发明专利申请公开了一种模块化自重构机器人，其具有铁磁性的外壳，并在铁磁性外壳的底部设置多个磁铁，利用磁铁和相邻的机器人单体的铁磁性外壳相吸实现自重构，这种重构方式虽然无需定点对接，但是在分离时，磁铁和铁磁性外壳较难分开，存在分离不便的问题，而且，磁铁设置在外壳上，不适合应用在球形机器人的外壳上，容易破坏球形机器人的球形外形。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种模块化球形机器人，其在球壳内设置多个第二磁吸件，且第二磁吸件朝向球壳外侧的极性可以改变，以便于球形机器人的连接和分离。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种模块化球形机器人，包括球壳，设置在该球壳内的机架，该机架上设置有驱动所述球壳转动的第一驱动机构，所述机架上设置有自重构机构，该自重构机构包括圆周均布的偶数个第一磁吸件，相邻两个所述第一磁吸件的朝外的极性相反；所述自重构机构还包括第二驱动机构，该第二驱动机构用于驱动多个所述第一磁吸件同步转动α度，其中，α为相邻两个所述第一磁吸件之间的夹角；所述第一磁吸件朝外的一侧在所述球壳内形成磁控区；所述自重构机构还包括若干第二磁吸件，该第二磁吸件的数量不超过所述第一磁吸件的数量，每个所述第二磁吸件位于一个所述磁控区内，且所述第二磁吸件与所述机架铰接，所述第二磁吸件能围绕其与所述机架的铰接轴翻转，使得所述第二磁吸件朝外的极性改变。

3、本发明中，相邻两个第一磁吸件的朝外的极性相反，相邻两个第一磁吸件的夹角为α，且第二驱动机构能驱动多个第一磁吸件同步转动α度。对于第二磁吸件而言，在上一时刻其内侧与相应的第一磁吸件的外侧相吸，则在下一时刻，第二驱动机构驱动第一磁吸件转动α度后，该第二磁吸件的内侧与相应的第一磁吸件的外侧相斥，在这个排斥力的作用下，第二磁吸件会围绕其铰接轴翻转，使得第二磁吸件朝向外侧的极性发生改变。由此可见，通过第一磁吸件、第二磁吸件和第二驱动机构的配合，可以实现第二磁吸件朝外的极性发生变化，而球壳上与第二磁吸件的外侧对应的区域可以形成磁连接点，则在实际中，可以改变第二磁吸件朝外的极性，来实现两个球形机器人在磁连接点处的连接和分离。

4、优选地，所述第二磁吸件的数量与所述第一磁吸件的数量相等，且多个所述第二磁吸件一一对应地分布在多个磁控区内。第二磁吸件的数量和第一磁吸件的数量相等，则在球壳上可以形成多个磁连接点，便于球形机器人进行多种形态的自重构。

5、优选地，所述第一磁吸件的长度方向所在直线与水平面之间存在安装倾角，多个所述第一磁吸件的安装倾角按照第一倾角、第二倾角交错布置，所述第一倾角和所述第二倾角不相等，且所述第一倾角和所述第二倾角的绝对值均不超过45度。第一倾角和第二倾角不相等，在第二驱动机构驱动第一磁吸件转动时，对于同一个第二磁吸件而言，在上一时刻和下一时刻其面对的第一磁吸件的安装倾角不相等，这就导致在下一时刻的第一磁吸件的中心磁感线与第二磁吸件的中心磁感线之间具有夹角，这个夹角的存在会使得第二磁吸件受到转矩作用，有助于第二磁吸件顺利翻转，从而便于改变第二磁吸件朝外的极性。

6、优选地，所述第一倾角为正值，所述第二倾角为负值；其中，在所述第一磁吸件由内至外向上倾斜时，其安装倾角为正值，在所述第一磁吸件由内至外向下倾斜时，其安装倾角为负值。第一倾角为正，第二倾角为负，则对于第二磁吸件而言，其上一时刻和下一时刻面对的第一磁吸件的中心磁感线的夹角较大，使得第二磁吸件受到的转矩较大，进而使得第二磁吸件的翻转更加顺畅。

7、优选地，所述第二驱动机构包括安装在所述机架上的舵机，该舵机的舵盘上连接有安装架，该安装架上设置有所述第一磁吸件。

8、优选地，所述第一驱动机构包括安装在所述机架下部左右两侧的第一驱动轮和第二驱动轮，所述第一驱动轮与第一驱动电机传动连接，所述第二驱动轮与第二驱动电机传动连接；在所述第一驱动轮和所述第二驱动轮之间设置有质心调节机构，所述质心调节机构包括配重块和驱动该配重块在所述机架的左右方向作直线运动的第三驱动机构。质心调节机构的第三驱动机构可以带动配重块在左右方向上直线运动，以调节位于球壳内部的结构整体的质心，起到个体球形机器人运动过程中调整左右横滚姿态的作用，以保证球壳内部的结构在左右方向始终与水平面保持0度到正负5度倾角范围内的自稳。

9、优选地，所述第三驱动机构包括丝杆直线舵机，该丝杆直线舵机的滑块上连接有支架，该支架上安装有所述配重块；所述支架上设置有导向部，所述机架上沿其左右方向设置有支撑件，所述导向部的底部与所述支撑件的顶部抵接。支撑件可以对支架起到支撑作用和导向作用，确保质心调节机构工作可靠。

10、优选地，所述机架的顶部设置有多个滚珠，该滚珠与所述球壳的内壁滚动接触。滚珠在球壳的摩擦力的作用下被动滚动，可以在球壳内起到支撑作用。

11、优选地，所述机架上设置有与所述第二磁吸件铰接的铰接座，该铰接座上具有间隔布置的铰接孔；所述第二磁吸件的外周固定套设有安装套，所述安装套的两侧固定连接有转轴，两个所述转轴可转动地穿设在相应的所述铰接孔内。

12、优选地，所述安装架上设置有用于安装所述第一磁吸件的安装座，所述安装座内周形成顶部敞口的安装腔，该安装腔的底面相对于水平面倾斜布置，使得所述第一磁吸件的长度方向所在直线与水平面之间形成所述安装倾角。设计这种安装座结构，可以简化第一磁吸件的安装过程，只需要将第一磁吸件放置在安装腔内，就可以获得相应的安装倾角。

技术特征：

1.一种模块化球形机器人，包括球壳，设置在该球壳内的机架，该机架上设置有驱动所述球壳转动的第一驱动机构，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的一种模块化球形机器人，其特征在于：

3.根据权利要求1所述的一种模块化球形机器人，其特征在于：

4.根据权利要求3所述的一种模块化球形机器人，其特征在于：

5.根据权利要求3所述的一种模块化球形机器人，其特征在于：

6.根据权利要求1所述的一种模块化球形机器人，其特征在于：

7.根据权利要求6所述的一种模块化球形机器人，其特征在于：

8.根据权利要求1所述的一种模块化球形机器人，其特征在于：

9.根据权利要求1所述的一种模块化球形机器人，其特征在于：

10.根据权利要求5所述的一种模块化球形机器人，其特征在于：

技术总结
本发明涉及一种模块化球形机器人，包括球壳，设置在该球壳内的机架，机架上设置有自重构机构，该自重构机构包括圆周均布的偶数个第一磁吸件，相邻两个第一磁吸件的朝外的极性相反；自重构机构还包括第二驱动机构，用于驱动多个第一磁吸件同步转动α度，α为相邻两个第一磁吸件之间的夹角；第一磁吸件朝外的一侧在球壳内形成磁控区；自重构机构还包括若干第二磁吸件，该第二磁吸件的数量不超过第一磁吸件的数量，每个第二磁吸件位于一个磁控区内，且第二磁吸件与机架铰接，第二磁吸件能围绕其铰接轴翻转，使得第二磁吸件朝外的极性改变。本发明在球壳内设置第二磁吸件，且第二磁吸件朝向球壳外侧的极性可以改变，以便于球形机器人的连接和分离。

技术研发人员：朱晓娟,徐基华,方贤进,赵宝,葛斌,张金伟,许浩
受保护的技术使用者：安徽理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13