一种基于Bennett机构的单动力可转向球形机器人
文献发布时间:2023-06-19 18:37:28
技术领域
本发明涉及一种基于Bennett机构的单动力可转向球形机器人,具体涉及一种以空间四杆Bennett机构为基础的,通过控制电机的正反转以及转动时间来驱动机器人直行及转向的单动力可转向球形机器人。
背景技术
Bennett机构是由四个转动副组成并经特殊布置的单自由度空间连杆机构,该机构结构简单、紧凑。利用其特点可以将球体分为四部分与之结合,通过改变球体构型,得到一种新构型球形机器人,并具有直行运动及转向运动能力。
中国专利CN105690375B公开了“一种单自由度四杆移动机器人及其控制方法”该发明提出了一种单自由度四杆移动机器人及其控制方法,实现了单自由度机器人在平面的直行和具有确定性的转向运动。
发明内容
本发明要解决的技术问题:球形机器人一般都是滚动运动,其运动稳定性较差,而且单自由度的机构一般不具有切换运动模式的能力。
一种基于Bennett机构的单动力可转向球形机器人由第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆;第一球形机构、第二球形机构、第三球形机构、第四球形机构;驱动电机组成。
构成机构的零件结构:
所述的第一连杆外形为细长杆,其一端与第二连杆通过转动副连接,另一端与第四连杆通过转动副连接。与第四连杆连接的转动副所在平面设有两个螺栓孔,螺栓孔为沉头结构,螺栓头部不得高于第一连杆表面。两孔距离与第一球形机构两孔距离相同。通过螺栓和第一球形机构固定连接;第三连杆的结构和外形尺寸与第一连杆相同,与第三球形机构连接方式与第一连杆和第一球形机构连接方式相同。
所述的第二连杆外形为细长杆,其一端与第一连杆通过转动副连接,另一端与第三连杆通过转动副连接。与第三连杆连接的转动副所在平面设有两个螺栓孔,螺栓孔为沉头结构,螺栓头部不得高于第二连杆表面。两孔距离与第二球型机构两孔距离相同,通过螺栓和第二球形机构固定连接;第四连杆的结构和外形尺寸与第二连杆相同,与第四球形机构连接方式与第二连杆和第二球形机构连接方式相同。
所述的第一球形机构外形为四分之一球体。其表面设有两个螺栓孔,用于和第一连杆固定连接;第二球形机构外形为四分之一球体。其表面设有两个螺栓孔,用于和第二连杆固定连接;第三球形机构外形为四分之一球体。其表面设有两个螺栓孔,用于和第三连杆固定连接;第四球形机构外形为四分之一球体。其表面设有两个螺栓孔,用于和第四连杆固定连接。
所述的第一球形机构、第二球形机构、第三球形机构、第四球形机构外部均设有三道凹槽,用于减小球形机构的重量,实现轻量化设计,同时能够增大与地面的摩擦力。
所述驱动电机安装在第三连杆和第四连杆连接的转动副处。驱动电机一侧连接第三连杆,另一侧连接第四连杆。
构成机构的零件的连接方式:
第一连杆一端通过转动副和第二连杆一端连接,第一连杆另一端通过转动副和第四连杆一端连接。第二连杆另一端通过转动副和第三连杆一端连接。第三连杆另一端通过转动副和第四连杆另一端连接。
第一球形机构通过螺栓与第一连杆固定连接,第二球形机构通过螺栓与第二连杆固定连接,第三球形机构通过螺栓与第三连杆固定连接,第四球形机构通过螺栓和第四连杆固定连接。
驱动电机安装在第三连杆和第四连杆连接的转动副处。驱动电机一侧连接第三连杆,另一侧连接第四连杆。
第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆长度不得超过球形机构的较小直径。
驱动电机通过转动副带动相连的第三连杆和第四连杆运动,第三连杆通过转动副带动第一连杆进行运动,第四连杆通过转动副带动第二连杆运动,每个连杆带动固定连接的球形机构进行运动。
本发明的有益效果:本发明所述的一种基于Bennett机构的单动力可转向球形机器人为单自由度机构,通过单驱动电机即可控制运动,将球形机构和单闭链机构结合,结构简单,通过利用驱动电机的正反转及转动时间来驱动机构直行及转向,易于制造和加工。在民用领域,为中小学生提供了对移动机器人的认识和操作机会,可用于制作玩具及教学用具,可以提高教学效果。在军用领域,也可以进一步设计,将其改造并用作军用探测机器人,球形的结构有利于在复杂条件下进行探测。
附图说明
图1一种基于Bennett机构的单动力可转向球形机器人
图2第一连杆、第三连杆结构图
图3第二连杆、第四连杆结构图
图4第一球形机构、第二球形机构、第三球形机构、第四球形机构结构图
图5机构滚动直行步态示意图
图6机构蠕动直行步态示意图
图7机构转向步态示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示,一种基于Bennett机构的单动力可转向球形机器人包括第一连杆(1)、第二连杆(2)、第三连杆(3)、第四连杆(4);第一球形机构(9)、第二球形机构(8)、第三球形机构(5)、第四球形机构(6);驱动电机(7)组成。
如图2所示,所述的第一连杆(1)外形为细长杆,其一端(1-3)与第二连杆(2)通过转动副连接,另一端(1-4)与第四连杆(4)通过转动副连接。与第四连杆连接转动副所在平面设有螺栓孔(1-1)和螺栓孔(1-2),螺栓孔为沉头结构,螺栓头部不得高于第一连杆(1)表面。两孔距离与第一球形机构(9)两孔距离相同。通过螺栓和第一球形机构(9)固定连接;第三连杆(3)的结构和外形尺寸与第一连杆(1)相同,和第三球形机构(5)连接方式与第一连杆(1)和第一球形机构(9)连接方式相同。
如图3所示,所述的第二连杆(2)外形为细长杆,其一端(2-3)与第一连杆(1)通过转动副连接,另一端(2-4)与第三连杆(3)通过转动副连接。与第三连杆连接转动副所在平面设有螺栓孔(2-1)和螺栓孔(2-2),螺栓孔为沉头结构,螺栓头部不得高于第二连杆(2)表面。两孔距离与第二球型机构(8)两孔距离相同,通过螺栓和第二球形机构(8)固定连接;第四连杆(4)的结构和外形尺寸与第二连杆(2)相同,和第四球形机构(6)连接方式与第二连杆(2)和第二球形机构(8)连接方式相同。
如图4a所示,所述的第一球形机构(9)外形为四分之一球体。其表面设有螺栓孔(9-1)和螺栓孔(9-2),用于和第一连杆(1)连接。第二球形机构(8)结构和外形与第一球形机构(9)相同。其表面设有两个螺栓孔,用于和第二连杆(2)固定连接;第三球形机构(5)结构和外形与第一球形机构(9)相同。其表面设有两个螺栓孔,用于和第三连杆(3)固定连接;第四球形机构(6)结构和外形与第一球形机构(9)相同。其表面设有两个螺栓孔,用于和第四连杆(4)固定连接。
如图4b所示,第一球形机构(9)外部设有三道凹槽(9-1)、(9-2)和(9-3),用于减小球形机构的重量,实现轻量化设计,同时能够增大与地面的摩擦力;第二球形机构(8)、第三球形机构(5)、第四球形机构(6)与第一球形机构(9)结构和形状尺寸相同。
所述驱动电机(7)安装在第三连杆(3)和第四连杆(4)连接的转动副处。驱动电机(7)一侧连接第三连杆(3),另一侧连接第四连杆(4)。
构成机构的零件连接方式:
第一连杆一端(1-3)通过转动副和第二连杆一端(2-3)形成转动连接,第一连杆另一端(1-4)通过转动副和第四连杆一端形成转动连接。第二连杆另一端(2-4)通过转动副和第三连杆一端形成转动连接。第三连杆另一端通过转动副和第四连杆另一端形成转动连接。
第一球形机构(9)通过螺栓孔(9-1)和(9-2)与第一连杆(1)固定连接,第二球形机构(8)通过螺栓与第二连杆(2)固定连接,第三球形机构(5)通过螺栓与第三连杆(3)固定连接,第四球形机构(6)通过螺栓和第四连杆(4)固定连接。
驱动电机(7)安装在第三连杆(3)和第四连杆(4)连接的转动副处。驱动电机(7)一侧连接第三连杆(3),另一侧连接第四连杆(4)。
第一连杆(1)、第二连杆(2)、第三连杆(3)、第四连杆(4)长度不得超过球形机构的较小直径。
驱动电机通过转动副带动第三连杆(3)和第四连杆(4)运动,第三连杆(3)通过转动副带动第一连杆(1)进行运动,第四连杆(4)通过转动副带动第二连杆(2)运动,每个连杆带动固定连接的球形机构进行运动。
具体使用方法:
基于Bennett机构的单动力可转向球形机器人可以实现两种直行步态,一种为滚动直行步态;另一种为蠕动直行步态。
在滚动直行步态下,首先基于Bennett机构的单动力可转向球形机器人位于图5a所示的滚动直行步态的起始位姿,机构完全收拢,外形呈球形;当要直行的时候,驱动电机(7)正转通过转动副带动第三连杆(3)和第四连杆(4)运动,从而带动整个球形机构运动,来实现机构整体的重心偏移的动作即如图5b所示姿态,当机构的中心在地面上的投影由于惯性超过支撑区域时,即实现翻滚,如图5c所示。此时驱动电机(7)反转,带动第三连杆(3)和第四连杆(4)转动,从而带动整个机构运动收拢,如图5d所示,此时由于机构整体的重心偏移,机构中心在地面上的投影由于惯性超过支撑区域,从而使得整个机构向前翻滚运动,如图5e所示。翻滚3/4周后可以回到起始位姿,即如图5f所示的滚动直行步态结束动作。这样就实现了机器人的一个完整滚动直行步态,图5a、图5b、图5c、图5d、图5e、图5f是机构滚动直行步态示意图。
在蠕动直行步态下,首先基于Bennett机构的单动力可转向球形机器人位于图6a所示的蠕动直行步态的起始位姿,机构完全收拢,外形呈球形;当要进行直行的时候,驱动电机(7)正转通过转动副带动第三连杆(3)和第四连杆(4)运动,从而带动整个球形机构运动,通过球形机构的展开,机构中心在地面上的投影由于惯性超过支撑区域,来实现机构整体的重心偏移动作即如图6b所示位姿。而后驱动电机(7)反转使得球形机构收拢,即如图6c所示。此时机构重心发生偏移,由于惯性的作用且同时驱动电机(7)反转使得机构进行翻滚且同时不断收拢,即如图6d所示的位姿。而后驱动电机(7)正转,通过控制电机转动时间从而控制球形机构的张开角度,即开始蠕动直行步态,如图6e~f所示。而后再驱动电机(7)反转使得整个机构收拢,如图g所示。此时驱动电机(7)正转,由于机构中心位置的变化,机构发生轻微滚动,同时机构展开之后即回到蠕动前进步态的初始位姿,如图f所示。这样就实现了机器人的一个完整的蠕动前进步态,图6a、图6b、图6c、图6d、图6e、图6f、图6g、图6h是机构蠕动直行步态示意图。
基于Bennett机构的单动力可转向球形机器人可以实现转向步态。首先机构位于如图7a所示的转向步态的起始位姿,机构完全收拢,机构的外形呈球形,当要转向时,驱动电机(7)正转使得机构展开,通过控制电机的转动时间,从而控制机构打开的角度,从而实现转向,由于机构的整体重心的偏移,使得机构位于如图7b所示的位姿。而后驱动电机(7)反转使得球形机构收拢,如图7c所示。如图7d所示为机器人的完全收拢状态。而后由于惯性的作用机构的重心位置发生改变,机构实现滚动运动一周,如图7e所示。如图7f所示为机构转向步态的结束动作姿态。这样就实现了机器人的一个完整转向步态,图7a、图7b、图7c、图7d、图7e、图7f是机构转向步态示意图。
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