一種用于月球基地建造的可移動操作球形機器人制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開一種用于月球基地建造的可移動操作球形機器人。發(fā)明專利技術(shù)所述可移動操作球形機器人包括：柔索驅(qū)動可展開球殼(1)、“剛

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種用于月球基地建造的可移動操作球形機器人


[0001]本專利技術(shù)涉及一種用于月球基地建造的可移動操作球形機器人，具體地說一種帶有超冗余操作臂的球形機器人，可以通過球體內(nèi)部機械臂的作用實現(xiàn)球形機器人的全向移動、球殼開合、對外操作等，同時可通過與其他機器人的相互通信，實現(xiàn)環(huán)境適應(yīng)與多機協(xié)作，屬于機器人領(lǐng)域。

技術(shù)介紹

[0002]月面運輸與操作設(shè)施作為國際月球科研站的核心組成部分，為月面長期工作支持系統(tǒng)和月面科研設(shè)施系統(tǒng)提供物品運輸與操作，我國的航天技術(shù)研發(fā)成就已為往返地外星球提供了成熟的條件，因此，開展外星球基地建造機器人的研究已成為國內(nèi)外關(guān)注的重點和必然發(fā)展趨勢。月球環(huán)境極惡劣：路面崎嶇、真空、晝夜溫差大、月塵污染、長月夜、低重力等等，對機器人的設(shè)計提出了巨大的挑戰(zhàn)。球形機器人具有全向移動、密閉、防傾覆、驅(qū)動少的優(yōu)勢，使其具備快速靈活運動能力和極端環(huán)境下自我保護能力。針對月球表面的極端環(huán)境和基地建造的復(fù)雜任務(wù)約束，筆者通過球形機器人與機械臂的創(chuàng)新融合，提出一種用于月球基地建造的可移動操作球形機器人，為我國月球基地建造提供技術(shù)參考。
[0003]申請?zhí)枮?02110540392.0公開了一種球形機器人，該機器人球殼內(nèi)設(shè)置有滾動驅(qū)動裝置和跳躍驅(qū)動裝置，滾動驅(qū)動裝置包括支撐機構(gòu)、承載機構(gòu)、伺服電機組一和伺服電機組二，跳躍驅(qū)動裝置包括跳躍機構(gòu)、鎖緊機構(gòu)和配重平臺，提供一種結(jié)構(gòu)緊湊空間利用率高的自助彈跳自救球形機器人。該專利技術(shù)具有良好的通過性，但其并不具備對外操作能力。
[0004]申請?zhí)枮?02110393069.5公開了一種帶臂球形探測機器人，該機器人通過舵機驅(qū)動力和重擺及機械臂的重力作用下進行滾動，通過變形組件調(diào)節(jié)球形殼體展開或閉合，在球殼打開情況下實現(xiàn)機械臂的對外操作。該專利在球體內(nèi)加裝的機械臂僅能在球殼打開時實現(xiàn)對外操作。
[0005]申請?zhí)枮?01621174315.9公開了一種球形搬運機器人，該專利技術(shù)所述球形機器人以非開合的形式，將兩機械臂置于球形機器人兩側(cè)，可夾持或放置物品，但其受限于球體本身，可操作空間不大，操作性不高，舍棄了在移動過程中封閉球殼對于本身機械臂的保護作用。
[0006]綜合現(xiàn)有球形機器人和大型空間機械臂的研究思路以及外星球表面復(fù)雜極端的任務(wù)需求，本專利技術(shù)將球形機器人與超冗余大型空間機械臂的設(shè)計理念相融合，提出了一種用于月球基地建造的可移動操作球形機器人：球形機器人賦予機械臂快速靈活運動能力與極端復(fù)雜外星球環(huán)境下自我保護能力，同時機械臂賦予球形機器人強大的對外操作能力與多機器人單元之間的協(xié)作能力，使機器人能夠在月球表面極端環(huán)境下的基地建設(shè)任務(wù)中，實現(xiàn)高效可靠的移動和對外操作，具有極大的潛在優(yōu)勢和深遠的研究價值。

技術(shù)實現(xiàn)思路

[0007]本專利技術(shù)提出了一種用于月球基地建造的可移動操作球形機器人。專利技術(shù)所述機器人
通過“剛
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柔”耦合超冗余操作臂的構(gòu)型變化作為球形移動狀態(tài)的質(zhì)心變化機構(gòu)，實現(xiàn)球形機器人的靈活平穩(wěn)滾動；到達指定位置后，雙靈巧臂能夠輔助球殼完全打開；兩個大型超冗余操作臂與靈巧臂(8)協(xié)同操作，完成建造作業(yè)。機器人具備可對外操作的球內(nèi)多臂特性，移動狀態(tài)下能夠?qū)崿F(xiàn)多機器人的組合協(xié)作越障，同時靈巧臂可伸出球殼外進行運動中操作。對外操作狀態(tài)下能夠?qū)崿F(xiàn)多個超冗余操作臂和靈巧臂的相互協(xié)作，完成復(fù)雜操作任務(wù)。
[0008]為實現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)提供的解決方案是：
[0009]所述球形機器人包括柔索驅(qū)動可展開球殼(1)、“剛
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柔”耦合超冗余操作臂基座(2)、軟性末端緩沖關(guān)節(jié)(3)、“剛
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柔”耦合伸縮關(guān)節(jié)(4)、球內(nèi)天線(5)、球內(nèi)太陽帆(6)、自動釋放和鎖定機構(gòu)(7)、靈巧臂(8)、靈巧臂末端(9)。所述“剛
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柔”耦合超冗余操作臂基座(2)，在球形巡航模式下通過自動釋放和鎖定機構(gòu)(7)與柔索驅(qū)動可展開球殼(1)進行連接，球內(nèi)太陽帆(6)附于球殼內(nèi)表面，“剛
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柔”耦合超冗余操作臂基座(2)、軟性末端緩沖關(guān)節(jié)(3)、“剛
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柔”耦合伸縮關(guān)節(jié)(4)為球形機器人內(nèi)部“剛
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柔”耦合超冗余操作臂構(gòu)成單元。“剛
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柔”耦合超冗余操作臂通過基座(2)與柔索驅(qū)動可展開球殼(1)相連，操作臂末端通過緩沖關(guān)節(jié)(3)與操作臂連接，“剛
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柔”耦合伸縮關(guān)節(jié)(4)替代了剛性連桿，使得整個操作臂組成具有10個自由度的超冗余操作臂。軟性末端緩沖關(guān)節(jié)(3)為操作臂的末關(guān)節(jié)，包含對外操作手抓。靈巧臂(8)的首段與超冗余操作臂基座(2)連接，靈巧臂末端(9)可作為支撐單端展開。
[0010]本專利技術(shù)的運動原理為：
[0011]在球形巡航模式下，機器人柔索驅(qū)動可展開球殼(1)處于密閉狀態(tài)，球形機器人通過超冗余操作臂作為球形移動狀態(tài)的質(zhì)心變化機構(gòu)，基于質(zhì)心偏移產(chǎn)生的重力矩的原理，通過“剛
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柔”耦合伸縮關(guān)節(jié)(4)的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生質(zhì)心偏移，實現(xiàn)機器人的靈活平穩(wěn)滾動。
[0012]球形機器人上的靈巧臂(8)，可在球形巡航模式下，將球殼左右兩端的靈巧臂末端(9)，分別伸出作為支撐，將整個球殼抬升，使機器人靈巧臂作業(yè)模式具備球
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腿特性進而提升其越障高度，實現(xiàn)短距離步態(tài)行走，提升其越障通過性；對于垂直高度超過球形機器人半徑和靈巧臂可支撐最大高度的障礙，通過靈巧臂間的對接功能實現(xiàn)多個機器人的組合形成開鏈串聯(lián)型拓撲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)多機協(xié)作越障。
[0013]機器人可通過球殼展開，進入雙操作臂作業(yè)模式，此時球殼內(nèi)側(cè)展開，使球內(nèi)太陽帆(6)開始工作為機器人提供能源，雙操作臂由超冗余操作臂基座(2)和靈巧臂末端(9)作為支撐，使左右兩個超冗余操作臂，可在空間內(nèi)實現(xiàn)對外大范圍操作。
[0014]機器人可實現(xiàn)與環(huán)境和其他機器人之間的相互通信，通過球內(nèi)天線(5)單個球形機器人可獲知其他機器人的位置，通過預(yù)先輸入的任務(wù)需求，分別移動至預(yù)先任務(wù)定點，做球殼展開進入雙操作臂作業(yè)模式，多機器人相互配合，實現(xiàn)協(xié)同作業(yè)，共同完成月球極端環(huán)境下的基地建造復(fù)雜任務(wù)。
[0015]本專利技術(shù)的優(yōu)點與效益：
[0016]本專利提出了一種用于月球基地建造的可移動操作球形機器人，用機械臂取代重擺的功能提升球形機器人的對外操作能力，通過球殼內(nèi)部冗余機械臂之間的協(xié)作滿足內(nèi)部機構(gòu)功能需求，結(jié)合具備大變形展開能力的球殼，能夠使球形機器人在發(fā)揮自身優(yōu)勢的同時，在越障能力與對外操作能力方面均會得到大幅度提升，在對外操作狀態(tài)下可實現(xiàn)多個超冗余操作臂的相互協(xié)作，使機器人具備強大的自我保護、越障能力和對外操作能力，能夠
有效應(yīng)對月球表面的維修維護、巡查等復(fù)雜任務(wù)。具有極大的潛在優(yōu)勢和深遠的研究價值。
附圖說明
[0017]為了更清楚地說明本專利技術(shù)實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹。
[0018]圖1是所述球形機器人整體結(jié)構(gòu)內(nèi)部示意圖；
[0019]圖2是所述球形機器人在球形本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】

【技術(shù)特征摘要】
1.一種用于月球基地建造的可移動操作球形機器人，其特征在于：包括柔索驅(qū)動可展開球殼(1)、“剛
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柔”耦合超冗余操作臂基座(2)、軟性末端緩沖關(guān)節(jié)(3)、“剛
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柔”耦合伸縮關(guān)節(jié)(4)、球內(nèi)天線(5)、球內(nèi)太陽帆(6)、自動釋放和鎖定機構(gòu)(7)、靈巧臂(8)、靈巧臂末端(9)。所述柔索驅(qū)動可展開球殼(1)采用犰狳仿生結(jié)構(gòu)，當球殼卷起時為完整球體結(jié)構(gòu)，當展開時充當太陽帆。“剛
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柔”耦合超冗余操作臂基座(2)、軟性末端緩沖關(guān)節(jié)(3)、“剛
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柔”耦合伸縮關(guān)節(jié)(4)為球形機器人內(nèi)部“剛
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柔”耦合超冗余操作臂構(gòu)成單元。“剛
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柔”耦合超冗余操作臂通過基座(2)與柔索驅(qū)動可展開球殼(1)相連，操作臂末端通過緩沖關(guān)節(jié)(3)與操作臂連接，“剛
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柔”耦合伸縮關(guān)節(jié)(4)替代了剛性連桿，使得整個操作臂組成具有10個自由度的超冗余操作臂。靈巧臂末端(9)為展開支撐機構(gòu)，通過靈巧臂(8)與球殼連接。2.如權(quán)利要求1所述，一種用于月球基地建造的可移動操作球形機器人，其特征在于：機器人有三種作業(yè)模式：球形巡航模式、靈巧臂作業(yè)...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：孫漢旭，李明剛，王展彤，馬龍，孫萍，
申請(專利權(quán))人：北京師范大學煤炭科學技術(shù)研究院有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：