技术领域
[0001] 本
发明涉及一种结构改进的球形机器人，确切地说，设计一种具有视觉的双侧带臂的球形行走机器人，该机器人既可作为一种特殊的运载工具，又可用于在特定场合完成一些特定任务；属于
机器人技术领域。
背景技术
[0002] 球形行走机器人(以下简称：球形机器人)是近年来国内外新近兴起、并发展迅速的一个特种研究领域。目前，国内外已经研制出若干种不同结构组成的球形机器人。
申请人也在2001年、2002年及2004年先后向中国
专利局申请了几种不同结构的球形机器人的发明专利(专利号ZL0118289.X，专利号ZL02128933.6，申请号200410096567.X，申请号200410096568.X)。这些球形机器人与地面是点
接触-属于纯
滚动摩擦，阻
力非常小，驱动行走和转向灵活方便，具有全方位驱动行走功能和零
转弯半径的特点，即能够在二维地面上实现全向性行走和简便穿过口径略大于其直径的曲折通道，适应道路的功能很强，有望成为今后机器人在坎坷不平的地面上行走的一种比较理想的运输工具。但是，在某些特殊环境和场合里，球形机器人的应用存在有相当大的局限性。
[0003] 目前，传统的多足或带有
机械臂的机器人已经引起人们广泛的关注、研究和应用。这种多足机器人对于活动环境有很强的适应能力，但是它不具备球形机器人二维全向性行走、零转弯半径的特点，其运动灵活性在许多场合受到限制；而带有机械臂的机器人，其灵巧的机械臂可以像人的手臂那样从事各种运动或操作，从而能够从事许多特定功能的工作。然而，在某些场合，其应用需要有一个良好的移动载体。
[0004] 如何在球形机器人中安装可伸缩的机械臂或其它肢体，以使该机器人在机械臂缩回时，能够具备球形机器人灵活运动的特性，而在机械臂伸出时，能够在许多场合用作机械手、机械足、或视觉
传感器等传感器官，从而能够从事许多特定操作而拓展球形行走机器人的应用范围，就成为申请人关注和研究的新课题。
发明内容
[0005] 有鉴于此，本发明的目的是提供一种带有可伸缩手臂的球形行走机器人，以便能够克服
现有技术中传统的球形机器人缺乏四肢，不能执行各种操作以及带有多足或机械手的机器人的运动灵活性受到限制的各种
缺陷，使得本发明成为一种既能够从事复杂操作，又具有乖巧、灵活运动特性的移动式机器人。
[0006] 为了达到上述目的，本发明提供了一种具有视觉的双侧带臂球形机器人，除了包括与现有机器人同样的行走装置外，其主要还包括球形壳体、两个侧向手臂、升降摄像装置、运动驱动系统及
支撑稳定机构；其中：
[0007] 所述球形壳体为分体式结构：由可升降的顶部球冠、左右各一个球冠、下部球冠以及中部的与所述各方球冠组合成为球体的中间壳体组成，所述下部球冠与所述中间壳体固联而使得下部球冠为不可升降的部分；
[0008] 该上部球冠下方可升降且可在平面内360°旋转地设有一个摄像装置，该摄像装置与该球形壳体内壁上或设于所述球壳中的
支架之间设有升降和旋转的驱动机构和传动机构；
[0009] 左右两侧的该球冠中分别设有一个或多个可分别伸出壳体的三
自由度机械手臂，该机械手臂与该球形壳体内壁上或设于所述球壳中的支架之间设有伸缩驱动机构和传动机构；
[0010] 该下部球冠中可伸出地设有一个能使球体稳定站立的机构所述站立机构与该球形壳体内壁上或设于所述球壳中的支架之间设有伸出驱动机构和传动机构。
[0011] 在上述技术方案中，所述机械手臂可以是通过关节
电机连接，能够做相对旋转运动的大臂、中臂和小臂组成：该大臂安装在一个可旋转地固定在所述球形壳体内壁上上的圆盘上，使它具有一个旋转的自由度，所述圆盘与该球形壳体内壁或设于所述球壳中的支架之间设有驱动和转动的传动机构；该中臂通过一个关节电机连接在该大臂上，使它可平行于该大臂旋转；该小臂通过腕关节电机连接在中臂末端，使它可以中臂为轴旋转。
[0012] 所述球形壳体内壁上可以嵌有一层球形网格式支架，该支架配合球形壳体分为三部分：对应该左右球冠各一部分以及对应该中间球形壳体的部分。支架主要是为了提高球形机器人的球形壳体强度。目前的球壳普遍用有机玻璃等材料制作，强度不是很高，因此通过网格支架来加强其强度。另外，还可以在球壳的外壁上附着固有网格支架，其作用有二：1.对球形机器人的
外壳起到提高强度的作用，可使机器人适应多种的复杂的环境，大大提高其应用领域；2.在机器人滚动过程中，增加其与地面的摩擦。
[0013] 在三个所述球冠下可设有对应的三个支撑托盘作为所述支架，其将三个该球冠与球壳中间隔离，同时成为固接驱动机构和传动机构以及放置
控制器的平台。
[0014] 所述球壳的可升降的顶部球冠、左右两个球冠分别与中间壳体对应处之间的所述驱动机构和传动机构可以是设置的
丝杠螺旋传动机构和电机，各所述螺旋传动机构连接电机。通过电机带动丝杠旋转的传动机构来升降和启闭球冠，使得机器人的摄像装置和手臂可以伸出或缩回，且在闭合时，整个壳体保持球形外观。
[0015] 丝杠螺旋传动机构和电机具体的结构可以是：所述顶部和/或者包括两侧的所述球冠后面
位置设有电机，该电机的
转轴与丝杠连接，丝杠的外部固装有一个带有滑槽的丝杠套筒，该丝杠套筒固定在
框架上，与丝杠旋接的丝杠
螺母卡在丝杠套筒的滑槽中，所述球冠固定在所述丝杠螺母上。当电机轴带动丝杠旋转时，丝杠螺母将沿丝杠套筒的滑槽轴向移动。借此实现球冠的升降及其与球体的分离与闭合。
[0016] 所述丝杠套筒滑槽的始端和末端最好是各设有一个霍尔
位置传感器，用于感测丝杠螺母移动的位置，实现该传动机构的
软件限位，提高了该机构的安全性。
[0017] 所述顶部球冠固装在其下方的丝杠螺母上，摄像装置固装在顶部球冠下方。当电机轴带动丝杠旋转时，丝杠螺母将沿丝杠套筒的滑槽轴向移动。此时，顶部球冠将升起或闭合，摄像装置将随其一起移动，以实现摄像装置的垂直升降。摄像装置的360°旋转是通过本机器人的行走装置，即通过两个电机分别驱动重摆和框架，改变球形机器人的
重心来进行的。
[0018] 中臂通过一个关节电机连接在大臂上；小臂通过腕关节电机连接在中臂末端；所述中臂相对于大臂以及小臂相对于中臂的旋转是不同的：前者的关节轴线为竖直平面的法线；后者的关节轴线为
水平面的法线。
[0019] 所述的机械臂大臂可以是这样固装在可以相对于球体旋转的圆盘上：在圆盘上固装有一个燕尾槽，上面带有
齿条的齿条形的大臂安装在燕尾槽中，可沿槽相对滑动。燕尾槽一例设有一手臂伸缩电机转轴上固设的
齿轮与齿条形大臂
啮合，使得手臂伸缩电机转动时，驱动大臂沿槽相对滑动，从而实现机械臂的伸出球壳和缩回球壳的动作。
[0020] 使得所述旋转圆盘转动的驱动及转动传动机构为：所述旋转圆盘固装在一个从动齿轮的
轮毂上，该齿轮可转动地固定在该球形壳体其他部分或所述支架上，另一个与该齿轮啮合的主动齿轮固装在一电机的
输出轴上，该电机固定在该球形壳体其他部分或所述支架上。使得电机转动时，驱动主动齿轮随之旋转，即旋转圆盘绕
中轴旋转，从而实现了固设于其上的手臂的旋转自由度，也使得在机器人沿着水平方向滚动时，机械手臂能够始终保持上举状态。电机以及主、从动齿轮轴都支固在所述球形壳体内壁上或设于所述球壳中的支架上。
[0021] 当具有视觉的双侧带臂球形机器人伸出手臂进行操作任务前，机器人左右两侧的球冠将分别打开。该球冠打开结构与顶部球冠升降机构相同。
[0022] 所述下部的球冠中设有的所述一个能使球体稳定站立的机构。该机构类似于伞的结构包括至少三个
连杆机构，每一个连杆机构包括三个连杆铰接形成该连杆机构，三个所述连杆机构在一个水平面内成120°
角铰接于丝杠螺母上，该丝杠螺母螺接在一丝杠上，丝杠连接一电机。下部球冠上设有三
块球壳块与球冠为分离状态，该三块球壳块分别连接在三个连杆机构中的一连杆的下端，其一个极端位置为与下部球冠形成球形壳体的一部分，另一个极端位置为伸出在球形壳体的外面而形成站立支脚。当丝杠下方的电机轴旋转时，驱动丝杠旋转，丝杠螺母则沿丝杠轴向垂直升降，使得所述球壳块伸出成站立指教和缩回使得本机器人的外形成为球形壳体。
[0023] 所述丝杠与电机的连接结构可以是：所述丝杠上固装有一个齿轮，另一个与其啮合的齿轮固装在电机轴上，使得电机转动时，驱动齿轮随之旋转，即丝杠绕中轴旋转。
[0024] 本发明是一种以球形行走机器人为本体，在其上加装可以伸出或缩回球壳内部的摄像装置，左右两侧可以伸出或缩回的机械手臂，下方可以稳定站立的机构实现的。该伸缩的摄像装置是机器人的视觉传感器，当机器人操作时，用于观察周围环境。该伸缩的机械手臂在其端部既可以加装机械手，用于从事各种复杂操作；也可以安置各种传感器件，以帮助球形机器人对外界进行
感知。该稳定站立机构在机器人进行作业任务时用于机器人的稳定站立。
[0025] 本发明在球形机器人上加装可伸缩机械手臂后，不仅能够使其保持其在二维平面内灵活运动的特点，而且使其具有了执行机构，可以完成作业任务，这就大大扩展了球形机器人的应用领域：其在楼层失火营救、反恐排爆等许多特殊场合都可以得到应用。本发明的球壳内壁嵌有的网格式支架，提高了球形机器人外壳的强度和适
应力，也有利于机器人在复杂的地面环境中行走。此外，因为该机器人可以通过摄像装置观察周围环境，静止时可以通过稳定站立机构保持机器人的
定位稳定性，且该三自由度的手臂，可以像人手一样从事各种操作，因此可以代替人去执行一些危险的活动。例如：深入无人区，代替人进行地质勘探；该球形机器人也可以用于军事上，灵活地穿过障碍，深入敌人营地内部，通过摄像装置对敌进行侦察活动，而在战场上，更可以在手臂上加装枪械来代替战士，完成对敌的阵地战斗，同时能够避免人员伤亡。因此，可以预计，本发明具有视觉的双侧带臂球形机器人在不久的将来可以在抢险、消防、救灾、地质勘探、军事等诸多场合得到广泛的应用。
附图说明
[0026] 图1是本发明具有视觉的双侧带臂球形机器人的整体结构示意图。
[0027] 图2为本发明提供的具有视觉的双侧带臂球形机器人闭合状态的结构示意图；
[0028] 图3为本发明提供的具有视觉的双侧带臂球形机器人各个打开伸出的部件伸出的结构示意图；
[0029] 图4为本发明提供的具有视觉的双侧带臂球形机器人左右两机械手臂伸出的俯视结构示意图。
具体实施方式
[0030] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
[0031] 参见图1，图中展示的本发明一
实施例是具有视觉的双侧带臂球形行走机器人的摄像头伸出壳体，两端对称的加装机械手臂收起的状态。图1中，球形壳体由顶部球冠2、右部球冠8、左部球冠24、下部球冠23和中间壳体7组成。中间壳体7的下部固联下部球冠，在中间壳体内对应左右球冠和下部球冠的位置设有三个支撑托盘71、72、73，在中间壳体7内部空间中支撑固定一
机架0。在中间壳体7的内部空间中设置运动机构，其是球形机器人的行走装置。本实施例中沿用了现有技术中球形机器人的行走装置，即通过两个电机分别驱动重摆和框架，改变球形机器人的重心来进行行走。它具有全方位行走、零转弯半径等运动特点。因此，通过控制可以实现其原地360°旋转。在球形壳体内还包括有：摄像头1，摄像头驱动和传动机构，多关节机械臂15，机械臂的驱动和传动机构，支脚16和支脚的驱动和传动机构；
[0032] 该上部球冠下方可升降且可在平面内360°旋转地设有一个摄像装置，该摄像装置与该球形壳体其他部分或支架0之间设有升降和旋转的驱动机构和传动机构。
[0033] 图1中升降和旋转的驱动机构和传动机构的装配关系是：摄像头驱动和传动机构包括摄像头丝杠螺母3、丝杠4、丝杠套筒5和升降摄像头的电机6，顶部球冠2同摄像头丝杠螺母3和摄像头1固接在一起，其中，顶部球冠固装在其下方的丝杠螺母上，摄像头固装在顶部球冠下方。其中丝杠螺母3旋接在丝杠4上，丝杠4固接在升降摄像头电机6的电机轴上，电机固定于机架上。丝杠4的外部固装有一个带有滑槽的丝杠套筒5，其固定在机架上，与丝杠旋接的丝杠螺母3卡在丝杠套筒5的滑槽中。这样，当电机轴旋转时带动丝杠转动，丝杠螺母将同顶部球冠和摄像头一起沿丝杠4升降运动。当电机轴带动丝杠旋转时，丝杠螺母将沿丝杠套筒的滑槽轴向移动。此时，顶部球冠将升起，摄像头伸出球壳，或者顶部球冠下降，摄像头缩回球壳，顶部球冠与球壳合拢闭合，摄像装置将随顶部球冠一起移动，以实现摄像装置的垂直升降。摄像装置的360°旋转可以通过前述的运动机构，即球形机器人的行走装置使得整个球壳转动来实现，当摄像头伸出球壳，启动行走装置，通过电机驱动框架旋转而产生的反作用力来使得机器人旋转，转动到合适角度后，站立装置伸出球壳，支撑定位。也可以通过其他现有技术中的回转机构实现。例如，摄像头通过
轴承或类似机构可转动地固定在丝杠螺母上，并且连接一个
驱动电机，通过控制电机使得摄像头转动到合适的角度。
[0034] 多关节机械手在球形壳体的左右两侧各设置一套，其可以是现有技术中的各种机械手，也可以是一种多关节机械臂15的结构。左右两套机械臂的结构相同，现以右侧机械臂为例描述如下：如图1、3、4所示，其包括手臂旋转圆盘9，旋转圆盘齿轮11，驱动齿轮13，旋转圆盘驱动电机12，右部球冠升降电机10，大臂带动齿轮14。
[0035] 为了使得设于左右两侧的多关节机械手可以从球形壳体中伸出，需要将左右球冠开启，左右球冠的启闭结构与顶部球冠的启闭结构基本相同，以右侧球冠为例，如图1、3所示，在支撑托盘72上固设右部球冠升降电机10，电机输出轴上连接丝杠，在丝杠上连接丝杠螺母，其与右部球冠的内
侧壁固接。同样的，一丝杠套筒5a固定在球壳上，在丝杠套筒5a上设有滑槽，丝杠螺母卡在丝杠套筒5a的滑槽中。右部球冠升降电机10转动，即可使得螺母以及固接一起的右部球冠相对于球形壳体的中间壳体7向右开启或反方向移动而关闭。
[0036] 旋转圆盘9固装在旋转圆盘齿轮11上，旋转圆盘齿轮11和旋转圆盘9一起可转动地固定在丝杠套筒5a上。丝杠套筒固定在球壳上。与旋转圆盘齿轮11啮合的驱动齿轮13同旋转圆盘的驱动电机12的电机轴固连，该电机轴设在支撑托盘72上。旋转圆盘驱动电机12也支固在支撑托盘72上。当圆盘驱动电机12的电机轴转动时，驱动齿轮13将带动旋转圆盘齿轮11旋转，并实现旋转圆盘9的旋转。多关节机械臂15安装在旋转圆盘9上，因此，它的旋转也使得多关节机械臂15具有了一个旋转的自由度。也使得在机器人沿着水平方向滚动时，机械手臂能够始终保持上举状态。
[0037] 参见图4所示的是具有视觉的双侧带臂球形
机器人手臂伸出的状态。图中显示伸出球体的机器人机械手臂15，其包括大臂151，中臂152和小臂153。其中，大臂151安装在旋转圆盘9上，所述的机械臂大臂151这样的固装在可以相对于球体旋转的旋转圆盘9上：在旋转圆盘9上固装有一个燕尾槽，带有齿条的齿条形的大臂安装在燕尾槽中，可沿槽相对滑动。燕尾槽一侧固定在圆盘上的手臂电机转轴上的齿轮14与齿条形大臂啮合，使得手臂电机转动时，驱动大臂沿槽相对滑动。由啮合于齿条的驱动齿轮14驱动手臂可以伸出和缩回；中臂152通过一个关节电机155连接在大臂151上，使得它可以绕水平轴旋转；小臂153通过腕关节电机154连接在中臂152末端，它可以绕竖直轴即绕图4所在平面的法线旋转。小臂153的悬空端可通过腕关节电机加装机械手或传感器件，用于从事程序设定的操作或探测工作。
[0038] 支脚的驱动和传动机构可以是多种结构，具体的，如图1、3所示，包括连杆机构17，下部支撑机构丝杠18、丝杠螺母19，丝杠齿轮20，丝杠驱动齿轮21和丝杠驱动电机22。
[0039] 在下部球冠23上分离出一块球壳作为支脚16，连杆机构17分别同下部球冠23、支脚16以及丝杠螺母18铰接相连。丝杠螺母18旋接在丝杠19上，丝杠19上固装有丝杠齿轮20，与之啮合连接的驱动齿轮21固接在丝杠驱动电机22的电机轴上，电机22和与丝杠螺母连接的丝杠固定在机架0或下部球冠23上固定。当电机22上的电机轴旋转时，驱动齿轮21旋转，并带动丝杠齿轮20和丝杠19转动，丝杠螺母18将垂直移动，这时，连杆机构17将带动支脚16打开，当支脚接触到地面时，将辅助机器人稳定的站立。
[0040] 参见图2所示的是具有视觉的双侧带臂球形机器人摄像头收回壳体内的状态。可以看出，当摄像头随丝杠螺母收回壳体内时，顶部球冠也同时下降，与中间壳体构成封闭球壳，使得机器人可以以球的形状翻滚行走。
[0041] 参见图3所示的是具有视觉的双侧带臂球形机器人稳定站立、摄像头伸出、双侧球冠打开的状态。
[0042] 本发明提供的球形机器人，其可以有一些变化形式，例如，在球形壳体上可以只是有可升降的顶部球冠和与之匹配的可升降且可在平面内360°旋转的所述摄像装置以及该下部球冠和与之匹配的可伸出地设有的能使球体稳定站立的机构。由此构成一个具有可站稳并拍摄的球形机器人。再例如，可以包括所述摄像装置和一侧或两侧可伸出的机械手装置。又例如，可以是只具有所述稳定站立的机构和可伸出的机械手装置。实际应用中可以根据使用需要进行组合，满足各种使用需求。
[0043] 所述球形壳体内壁上可以嵌有一层球形网格式支架，该支架配合球形壳体分为三部分：对应该左右球冠各一部分以及对应该中间球形壳体的部分。另外，还可以在球壳的外壁上附着固有网格支架。
