一种重力可调式球形机器人及其运动控制方法

本发明涉及球形机器人，具体是涉及一种重力可调式球形机器人及其运动控制方法。

背景技术：

1、球形机器人是一种高度灵活的机器，它能够在水下的各种极其复杂的环境里高效地工作，随着水陆两栖球形机器人的推出，人类可开采的范围大大增加。陆上与水下资源的开采可以被集成在一台机器上，它可以自如地从两种模式中切换，实现水陆两栖资源开发的全覆盖。

2、现有技术中，如申请号为202211177814.3的中国专利申请，公开了一种用双摆和明轮驱动的水陆两栖球形机器人，其通过球壳上的明轮和一套陆上运动机构，但该装置陆上运动需要通过电机驱动左右两个重摆，会产生重力势能的浪费，每个重摆不能单独调节，同时，该装置只能通过伸出明轮在水上运动，无法下沉到水下完成更重要的水下任务。又如，申请号为202211706097.9的中国专利申请，公开了一种全向矢量推进水陆两栖球形机器人，左右两侧扩充半球舱盖，并在里面安装电动水下隧道推进器，两个调节模块可以分别独立进行推进，其灵活度高、动力强，但该装置的自身重力不可调，而由于体积不变浮力固定，在水下运动时完全依靠推进器进行前进和升降，同时，两个推进器使用了两套隧道推进器，耗电量大，效率较低，每套动力装置不能得到重复利用。再如，申请号为201910982495.5的中国专利申请，公开了一种改进型球形滚进水下机器人，其中的偏心驱动装置能够改变偏配重块的重心以产生使水下机器人移动的偏心力矩，但该机器人的水下机器人重力与浮力间关系的描述较欠缺。

技术实现思路

1、发明目的：针对以上问题，本发明提供一种自身重力可调的、能源利用效率高、且可以灵活运动的重力可调式球形机器人。

2、本发明还提供一种由上述重力可调式球形机器人的运动控制方法。

3、技术方案：为解决上述问题，本发明采用一种重力可调式球形机器人，包括球形壳体、与球形壳体内壁固定连接的转动侧主轴、与球形壳体转动连接的固定侧主轴、与固定侧主轴固定连接的驱动电机、固定套设于转动侧主轴外的主轴齿轮、摆动水箱、液压调节模块，所述转动侧主轴和固定侧主轴位于球形壳体同一直径上，所述驱动电机的输出端固定设置电机齿轮，电机齿轮与主轴齿轮啮合，驱动电机通过电机齿轮和主轴齿轮驱动转动侧主轴转动，从而驱动球形外壳转动；

4、所述液压调节模块包括海水泵、入水管；所述入水管输入端通过球形壳体的开孔与外部连通，入水管输出端通过电磁换向阀与海水泵连通，电磁换向阀通过第一多通连接器分别与摆动水箱和喷水口连通，喷水口通过球形壳体的开孔与外部连通，且随球形外壳同步转动，所述入水管与第一多通连接器连接于电磁换向阀的不同接口，所述海水泵将外部液体泵入或排出摆动水箱时，调节重力可调式球形机器人的质量，所述海水泵将外部液体泵向喷水口时，为重力可调式球形机器人提供推动力。

5、进一步的，所述摆动水箱位于球形壳体内的非球心处，所述摆动水箱与吊轮固定连接，舵机与吊轮连接，舵机与固定侧主轴固定连接，摆动水箱的摆动轴线穿过球形壳体内的球心，且垂直于固定侧主轴，舵机通过驱动吊轮摆动，从而带动摆动水箱摆动，调节重力可调式球形机器人的重心位置。

6、进一步的，所述转动侧主轴和固定侧主轴为空心轴，入水管的两个输入端分别穿过转动侧主轴和固定侧主轴与球形壳体外部连通，入水管与固定侧主轴相对固定，与转动侧主轴相对转动。

7、进一步的，该机器人还包括设置于球形壳体球心处的中心水箱，所述中心水箱与第一多通连接器连接，所述海水泵将外部液体泵入或排出中心水箱。

8、进一步的，该机器人还包括阻尼装置，所述阻尼装置包括若干阻尼单元、阻尼液压控制系统，所述阻尼单元包括凸台活塞、与凸台活塞输出端连接的凸台，所述球形壳体对应凸台设置若干开孔，所述阻尼液压控制系统包括与所有凸台活塞输入端连通的凸台供水环、与凸台供水环连通的第二多通连接器、过渡管，所述第二多通连接器分别连通凸台供水环和喷水口，且第二多通连接器通过过渡管与第一多通连接器连通，所述过渡管包括相互转动连接的第一l型管和第二l型管，第一l型管和第二l型管分别与第二多通连接器和第一多通连接器连通，所述海水泵将外部液体泵入或排出凸台活塞，凸台活塞驱动凸台伸出或收回球形壳体。包括两个关于球形壳体球心对称设置的两个凸台供水环，凸台供水环周向均匀设置若干凸台活塞，当凸台伸出球形壳体时，凸台端面所在外径大于球形壳体外径。

9、进一步的，所述第一l型管和第二l型管均包括延伸方向相互垂直的第一单元和第二单元，所述第一l型管和第二l型管的第一单元转动连接，且均套设于入水管外侧，第一l型管的第二单元与第一多通连接器连通，所述转动侧主轴设置开孔，所述第二l型管的第二单元从转动侧主轴的开孔中伸出与第二多通连接器连通。

10、本发明还提供一种用于上述重力可调式球形机器人的运动控制方法，包括以下步骤：

11、确定重力可调式球形机器人的运动模式，运动模式包括水中浮游、水底滚进、水陆交界滚进、陆上滚进；

12、当运动模式为水中浮游时，控制凸台收起，中心水箱充满水，排空摆动水箱的水，向喷水口供水，为重力可调式球形机器人提供推动力；控制驱动电机转动球形壳体或控制舵机驱动摆动水箱摆动，改变喷水口推力方向；

13、当运动模式为水底滚进时，中心水箱充满水，向摆动水箱内充水使机器人沉到水底，控制凸台伸出，控制舵机驱动摆动水箱摆动；

14、当运动模式为水陆交接滚进时，将摆动水箱水量充到最大值，控制舵机驱动摆动水箱摆动；

15、当运动模式为陆上滚进时，收起凸台，排空中心水箱和摆动水箱的水，控制舵机驱动摆动水箱摆动。

16、有益效果：本发明相对于现有技术，其显著优点是通过一个海水泵既可以用于球形机器人重力调节，也可以用于喷水，从而减少了水下推进器等部件，精简了球形机器人结构及建造成本。液压系统可以调节整体重量及摆动水箱的重量，从而在水底滚进时，获得最小的爬坡能力，从而获得最大的抗干扰能力，在陆地滚进时，排空中心水箱，获得最大的爬坡能力。当球形机器人在水下浮游推进时，海水从入水管两侧同时吸入，机器人入水口两侧受力相平衡，不对机器人正常推进产生影响。

技术特征：

1.一种重力可调式球形机器人，其特征在于，包括球形壳体、与球形壳体内壁固定连接的转动侧主轴(13)、与球形壳体转动连接的固定侧主轴(16)、与固定侧主轴(16)固定连接的驱动电机(7)、固定套设于转动侧主轴(13)外的主轴齿轮(12)、摆动水箱(21)、液压调节模块，所述转动侧主轴(13)和固定侧主轴(16)位于球形壳体同一直径上，所述驱动电机(7)的输出端固定设置电机齿轮(10)，电机齿轮(10)与主轴齿轮(12)啮合，驱动电机(7)通过电机齿轮(10)和主轴齿轮(12)驱动转动侧主轴(13)转动，从而驱动球形外壳转动；

2.根据权利要求1所述的重力可调式球形机器人，其特征在于，所述摆动水箱(21)位于球形壳体内的非球心处，所述摆动水箱(21)与吊轮(20)固定连接，舵机(8)与吊轮(20)连接，舵机(8)与固定侧主轴(16)固定连接，摆动水箱(21)的摆动轴线穿过球形壳体内的球心，且垂直于固定侧主轴(16)，舵机(8)通过驱动吊轮(20)摆动，从而带动摆动水箱(21)摆动，调节重力可调式球形机器人的重心位置。

3.根据权利要求1所述的重力可调式球形机器人，其特征在于，所述转动侧主轴(13)和固定侧主轴(16)为空心轴，入水管(22)的两个输入端分别穿过转动侧主轴(13)和固定侧主轴(16)与球形壳体外部连通，入水管(22)与固定侧主轴(16)相对固定，与转动侧主轴(13)相对转动。

4.根据权利要求3所述的重力可调式球形机器人，其特征在于，还包括设置于球形壳体球心处的中心水箱(31)，所述中心水箱(31)与第一多通连接器(30)连接，所述海水泵将外部液体泵入或排出中心水箱(31)。

5.根据权利要求4所述的重力可调式球形机器人，其特征在于，还包括阻尼装置，所述阻尼装置包括若干阻尼单元、阻尼液压控制系统，所述阻尼单元包括凸台活塞(42)、与凸台活塞(42)输出端连接的凸台，所述球形壳体对应凸台设置若干开孔，所述阻尼液压控制系统包括与所有凸台活塞(42)输入端连通的凸台供水环(41)、与凸台供水环(41)连通的第二多通连接器(40)、过渡管，所述第二多通连接器(40)分别连通凸台供水环(41)和喷水口，且第二多通连接器(40)通过过渡管与第一多通连接器(30)连通，所述过渡管包括相互转动连接的第一l型管(23)和第二l型管(24)，第一l型管(23)和第二l型管(24)分别与第二多通连接器(40)和第一多通连接器(30)连通，所述海水泵将外部液体泵入或排出凸台活塞(42)，凸台活塞(42)驱动凸台伸出或收回球形壳体。

6.根据权利要求5所述的重力可调式球形机器人，其特征在于，包括两个关于球形壳体球心对称设置的两个凸台供水环(41)，凸台供水环(41)周向均匀设置若干凸台活塞(42)，当凸台伸出球形壳体时，凸台端面所在外径大于球形壳体外径。

7.根据权利要求5所述的重力可调式球形机器人，其特征在于，所述第一l型管(23)和第二l型管(24)均包括延伸方向相互垂直的第一单元和第二单元，所述第一l型管(23)和第二l型管(24)的第一单元转动连接，且均套设于入水管(22)外侧，第一l型管(23)的第二单元与第一多通连接器(30)连通，所述转动侧主轴(13)设置开孔，所述第二l型管(24)的第二单元从转动侧主轴(13)的开孔中伸出与第二多通连接器(40)连通。

8.根据权利要求7所述的重力可调式球形机器人，其特征在于，所述固定侧主轴(16)设置开孔，入水管(22)输出端从固定侧主轴(16)的开孔伸出与过滤阀(26)连接。

9.一种用于权利要求5所述重力可调式球形机器人的运动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的运动控制方法，其特征在于，当运动模式为水陆交接滚进时，根据球形机器人的爬坡能力确定选择通过水陆交界面的坡面角度，坡面角度确定公式为：

技术总结本发明公开了一种重力可调式球形机器人及其运动控制方法，包括球形壳体、转动侧主轴、固定侧主轴、驱动电机、摆动水箱、液压调节模块，驱动电机通过齿轮驱动转动侧主轴转动，从而驱动球形外壳转动；液压调节模块包括海水泵、入水管；入水管输入端与外部连通，入水管输出端通过电磁换向阀与海水泵连通，电磁换向阀通过第一多通连接器分别与摆动水箱和喷水口连通，喷水口与外部连通，且随球形外壳同步转动，海水泵将外部液体泵入或排出摆动水箱时，调节重力，海水泵将外部液体泵向喷水口时，提供推动力。通过一个海水泵既可以用于球形机器人重力调节，也可以用于喷水，从而减少了水下推进器等部件，精简了球形机器人结构及建造成本。技术研发人员：殷宝吉,柳宇宸,邱文斌受保护的技术使用者：江苏科技大学技术研发日：技术公布日：2024/7/9