麥克納姆輪驅動式球形移動機器人的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種麥克納姆輪驅動式球形移動機器人。該機器人包括一個剛性的球殼、4根車用氣動桿作為支撐桿、一個機架、2個麥克納姆輪及內部的輪轂電機、一個電源模塊及其無線充電裝置、一個主控制模塊。所述的兩個麥克納姆輪通過對稱固定在機架上正交布置來提供兩個垂直正交的驅動力，所述的4根支撐桿則一端與機架固定連接另外一端與球殼內表面接觸，并且4根氣動桿均勻分布在垂直于輪子所在平面的同一平面內，與兩個輪子共同構成了一個6點穩定支撐結構。所述的控制模塊和電池等器件則統統固定于機架上，盡量讓整個內部機構簡化。本發明簡化了球形機器人的內部結構，減少接觸式驅動的能量損耗。
【專利說明】麥克納姆輪驅動式球形移動機器人

【技術領域】
[0001] 本發明涉及主動式全自主球形機器人領域，特別涉及一種麥克納姆輪驅動式球形 移動機器人。

【背景技術】
[0002] 球形機器人具有內部機器人部件和外部環境完全隔絕的特點，在科學探索上有著 極為特殊的優勢。同傳統的輪式、履帶式或足式移動機器人相比，球形機器人具有更好的野 外適應能力，不容易傾覆失效，在探索一些特殊惡劣環境，如沙丘、雪地、冰縫等時，傳統的 輪式或者足式機器人會遇到越障和行進困難的問題，而球形機器人利用其結構特點可以解 決這些問題。
[0003] 現代球形機器人的研究工作開始于上世紀九十年代，自從芬蘭赫爾辛基科技大學 的海爾姆（Halme)等人于1996年制作了第一個球形機器人后，球形機器人逐漸成為國內 外智能機器人研究領域的熱點之一。總體來看，現有的球形機器人根據功能的不同，方案各 種各樣，基本上可以分為：接觸驅動、配重驅動、電磁驅動以及風力驅動四種形式。
[0004] 其中配重驅動類型的球形機器人是被研究的最多的一類型的球形機器人。該類型 的機器人主要有兩種類型，第一種如中國發明專利ZL200810111880. 4公開的"三驅動球形 機器人"，該種球形機器人利用重擺繞軸的轉動產生的力矩來改變機器人的重心，來實現球 形機器人的運動。第二種如密西根州立大學的路易斯（Louis. Flynn)等人研制的球形機器 人利用改變球體內的配重塊的位置來實現球體的重心的改變。這兩種形式的球形機器人本 質上都是通過改變配重的位置來實現球體重心的改變，最終實現球體的直走和轉彎。這一 類型球形機器人的結構較為簡單，控制方法較容易實現，但是通過重擺的轉動來改變球體 的運動狀態的方法是一種間接控制的方法，系統會存在一定的延時和失衡風險。
[0005] 而另外一種接觸驅動類型的球形機器人是利用一個小車在球體內運動來改變球 體的重心從而實現球體的運動。該類型的球形機器人運動部件與球體表面是接觸的，該種 接觸型的球形機器人原理上最為簡單的就是將一輛小車放在球體的內部通過驅動小車運 動來驅動球體運動，比如在2003年時阿爾維斯（Alves. J)等人就提出將一輛四輪車放在封 閉球體內來得到倉鼠球原型。這是由于該球形機器人的運動原理同倉鼠球利用倉鼠在球殼 內跑動來推動小球運動時相同的，但該種類型的球形機器人能量損耗大，同時會由于輪子 和球殼的相互滑動而使控制不夠精確和有效。接觸型的球形機器人還有比如北京航空航天 大學戰強等人研制的BHQ3球形機器人和哈工大的岳明等人研制的HIT球形機器人，他們都 使用了驅動輪和球殼內表面接觸的驅動方式來控制球形機器人的運動。這一類型的球形移 動機器人由于輪和球殼的直接接觸而使得摩擦能量損失很大，但是這一類型的球形機器人 也有控制迅速的優點。


【發明內容】

[0006] 本發明的目的在于針對上述兩種不同驅動類型的球形機器人的優缺點，提出一種 麥克納姆輪驅動式球形移動機器人，旨在簡化球形機器人的內部結構，減少接觸式驅動的 能量損耗，并且利用接觸式球形機器人的響應快速的特點來實現機器人的靈活控制。
[0007] 為了達到上述要求，本發明的構思是： 本發明設計的球形機器人具有全向性和良好的機動性能。為了實現機器人運動的全向 性，將機器人的運動解耦為兩個互相垂直正交方向上的運動。通過驅動該兩個方向上的麥 克納姆輪的運動來得到球體在這兩個方向上的運動，并且通過合成這兩個方向上的運動來 得到球體不同的運動狀態。本結構使用兩個麥克納姆輪正交對稱布置來實現球體的解耦運 動，利用麥克納姆輪的運動全向性也可簡化機構模型，有利于球體的運動控制。為了減少球 體運動過程當中的轉動慣性給球體控制帶來的影響，應盡量減小球體的體積并且將重心集 中，這樣可以獲得更好的運動性能。本發明設計考慮到球體運動過程中內部結構和球殼之 間的硬接觸會比較激烈，使用了 4根支撐桿來相對約束內部機構和球殼之間的位置，這樣 使得兩個輪子和四根氣動桿共同構成了一個6點穩定支撐結構。
[0008] 根據上述發明構思，本發明采用下述技術方案： 一個麥克納姆輪驅動式球形移動機器人，包括一個剛性的球殼、4根支撐桿、一個內置 固定機架、兩個麥克納姆輪及內部的輪轂電機；一個主控制器和一個電源。其特征在于：所 述球殼由左右兩半球的外殼裝配而成，該兩個半球形外殼是在內部所有部件安裝完成之后 再進行最后的裝配的，而球體內部的所有部件都安裝在所述內置固定機架上，所述兩個麥 克納姆輪分別安裝在內置固定機架的上下兩端對稱布置，其中麥克納姆輪和麥克納姆輪的 正運動方向符合垂直正交的關系--即兩輪軸線互相垂直；所述主控制器和電源分別安裝 在內置固定機架兩側的A面和B面的下部；四根支撐桿的一端分別與固定機架的A、B、C、 D面的幾何中心通過螺紋連接對稱分布在同一平面上，支撐桿的另外一端頂住球殼內壁，通 過支撐桿與球殼內壁表面之間的相互擠壓來約束支撐桿。
[0009] 4根氣彈簧則一端與機架螺紋固定連接另外一端與球殼內表面接觸，并且4根氣 彈簧均勻分布在垂直于輪子所在平面的同一平面內，與兩個輪子共同構成了一個6點穩定 支撐結構，保證了球體在運動過程中內部結構的充分穩定，而氣彈簧利用其阻尼效應可以 減少球體運動過程中內部結構和球面接觸的機械損傷，起到緩沖減震的作用。
[0010] 電池使用的是大容量的鋰電池并且帶有無線充電模塊的接收端以便可以使用無 線充電模塊來給機器人充電從而簡化充電的過程，省去了換電池的麻煩，提高了機器人的 頭用性。
[0011] 本發明與現有技術相比，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優點： (1)作為一種接觸式驅動類型的球形移動機器人，它使用的是麥克納姆輪作為接觸元 件，由于麥克納姆輪的全向性的特點，使得機器人在工作狀態特別是高速工作狀態時不必 擔心輪子卡死而帶來機械故障的情況，也可以減少能量的損失。
[0012] (2)使用商用氣彈簧作為支撐元件，利用其本身的阻尼效應既可以承受足夠大的 載荷又能夠減少機械碰撞中的應力沖擊，并且有成品可以購買從而減少成本，簡化制造工 序。
[0013] (3)將麥克納姆輪和輪轂電機集成設計，簡化了整體驅動部分的結構以及繁瑣的 安裝和裝配問題，為球體尺寸減小提供了更多的可能，在很大程度上優化了球體內部結構。
[0014] (4)使用無線充電模塊來給電池充電，省去了電池更換的麻煩，提高了機器人的 實用性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1是本發明的整體立體結構示意圖。
[0016] 圖2是麥克納姆輪1的主運動方向示意圖。
[0017] 圖3是麥克納姆輪2的主運動方向示意圖。

【具體實施方式】
[0018] 以下結合附圖對本發明的優選實施例作進一步的說明。
[0019] 實施例一： 參見圖1，本麥克納姆輪驅動式主動球形機器人包括：一個剛性的球殼（3)，該球形外 殼由左右半球體裝配而成；4根支撐桿（2);-個內置固定機架（4);兩個麥克納姆輪及其內 部的輪轂電機（5);-個主控制器（6)，一個電源（1)。其特征在于，兩個半球形球殼（3)是 在里面的所有部件安裝完成之后再進行最后的裝配的，而球體內部的所有部件都是安裝在 固定機架（4)上通過機架來保證相互之間的定位關系。其中兩個麥克納姆輪及其內部的輪 轂電機（5)分別安裝在固定機架（4)的兩端對稱布置，并且麥克納姆輪1和麥克納姆輪2的 正運動方向符合垂直正交的關系。主控制器（6)和電源（1)分別安裝在機架的A面和B面 的下部，從而來保證機架的整體質量均勻分布，使球體的整體重心盡量在幾何中心處。這樣 的器件布置使結構更加的緊湊，球體在運動過程中機架及固定安裝在其上的所有器件都可 以看成一個整體，使機器人在運動過程中的動力學模型更加的簡單，有利于對球形機器人 進行控制。四根支撐桿（2)的一端分別與固定機架（4)的A、B、C、D面的幾何中心通過螺紋 連接對稱分布在同一平面上，起到約束機架的作用，使整體結構更加的穩固，在4根支撐桿 (2)和兩個麥克納姆輪（5)的作用下，球內的部件和球殼有一個相對穩定的位置關系，保證 了機架及其依附的器件在球體運動過程當中的穩定性。
[0020] 實施例二： 本實施例與實施例一基本相同，特別之處如下：所述4根支撐桿（2)是由商用氣彈簧改 進得到的，利用氣彈簧的阻尼作用，可以減少球體在運動過程中機架與球殼表面之間的硬 碰撞，起到緩震作用。又由于輪子與球殼之間的接觸也是一個軟接觸，支撐點與機架之間的 緩沖作用也使球殼和內部機架之間的互相受力更加的平衡。4根支撐桿（2)和球殼（3)內 表面的4個接觸點和兩個麥克納姆輪（5)與球殼（3)的接觸點構成了一個幾何上的球面6 點接觸穩定結構，增加了整個機器人系統的穩定性。
[0021] 實施例三： 本實施例與實施例一基本相同，特別之處如下：將輪轂電機和麥克納姆輪集成為一體 式的結構，麥克納姆輪的內部是一個輪轂電機，輪轂電機將動力、傳動和制動裝置都整合到 輪轂內，無須多余的外部機械結構，而輪轂外面的輪面是麥克納姆輪式的結構，這種將麥克 納姆輪和電機結合在一起的輪轂電機技術簡化了球體內部的機械結構。電源使用的是一個 大容量的鋰電池，而該電源使用了一個無線充電模塊作為它的充電裝置，將無線充電的接 收端和電池緊貼在一起，給電源充電時只需將發送端和接收端貼合即可給電池充電，省去 了更換電池的麻煩。
[0022] 本發明的工作過程如下： 本主動式球形機器人能夠通過兩個垂直正交方向上的麥克納姆輪接觸式驅動方法實 現靈活、自主地行進。機器人正常啟動之后，根據傳感器采集的球體姿態信心，主控制器控 制兩個麥克納姆輪各運動一定的角度來保持球體的實時平衡。在球體運動過程中，麥克納 姆輪1的主運動方向如圖2所示，麥克納姆輪2的主運動方向如圖3所示，由圖可看出兩個 輪子的主運動方向是垂直正交的，該發明中兩個麥克納姆輪兩個方向上的獨立解耦驅動方 式能夠合成機器人運動過程當中的任意曲率半徑的曲線行走，依靠接觸式球形機器人的響 應快速的特點實現機器人的高速運轉。根據地形及實時人為操控的需要，通過控制兩個麥 克納姆輪的不同運動狀態來規劃機器人的行走路徑。
[0023] 上述【具體實施方式】用來解釋說明本發明，而不是對本發明進行限制，在本發明的 精神和權利要求的保護范圍內，對本發明做出的任何修改和改變，都落在本發明的保護范 圍。
【權利要求】
1. 一種麥克納姆輪驅動式球形移動機器人，包括一個剛性的球殼（3)、4根支撐桿 (2)、一個內置固定機架（4)、兩個麥克納姆輪及內部的輪轂電機（5-1，5-2);-個主控制器 (6 )和一個電源（1)。
2. 其特征在于：所述球殼（3)由左右兩半球的外殼裝配而成，該兩個半球形外殼是在 內部所有部件安裝完成之后再進行最后的裝配的，而球體內部的所有部件都安裝在所述內 置固定機架（4)上，所述兩個麥克納姆輪（5-1，5-2)分別安裝在內置固定機架（4)的上下 兩端對稱布置，其中麥克納姆輪（5-1)和麥克納姆輪（5-2)的正運動方向符合垂直正交的 關系--即兩輪軸線互相垂直；所述主控制器（6)和電源（1)分別安裝在內置固定機架（4) 兩側的A面和B面的下部；四根支撐桿（2)的一端分別與固定機架（4)的A、B、C、D面的幾 何中心通過螺紋連接對稱分布在同一平面上，支撐桿（2)的另外一端頂住球殼（3)內壁，通 過支撐桿（2)與球殼（3)內壁表面之間的相互擠壓來約束支撐桿（2)。
3. 根據權利要求1所述的麥克納姆輪驅動式球形移動機器人，其特征在于：所述4根 支撐桿（2)是在商用的氣彈簧的基礎上改進而來，商用氣彈簧由缸筒、活塞、密封件和外部 連接件組成，在受力時它運動平穩，能起阻尼緩沖作用，能夠減少球體在運動過程中固定機 架（4)和球殼（3)表面之間的沖擊，起到緩震作用；將氣彈簧的外部連接件一端改進為螺紋 的接口和固定機架（4)連接，另外一端改進為球形的突起，與球殼（3)內壁接觸時增加表面 接觸力。
4. 根據權利要求1所述的麥克納姆輪驅動式球形移動機器人，其特征在于：麥克納姆 輪（5-1，5-2)的內部是一個輪轂電機，輪轂電機將動力、傳動和制動裝置都整合到輪轂內， 無須多余的外部機械結構，而輪轂外面的輪面是麥克納姆輪式的結構，這種將麥克納姆輪 和電機結合在一起的輪轂電機技術簡化了球體內部的機械結構，裝配球體變得更加的簡 單。
5. 根據權利要求1所述的麥克納姆輪驅動式球形移動機器人，其特征在于：給整個系 統提供能源的電源（1)是一個大容量的電池，該電源（1)使用一個無線充電模塊作為它的 充電裝置，無線充電的接收端緊貼在電池的外表面，給電池充電時只需將發送端和接收端 貼合即可給電池充電，省去了更換電池的麻煩。
【文檔編號】B62D57/02GK104097706SQ201410147444
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年4月14日 優先權日:2014年4月14日
【發明者】謝少榮, 祝川, 姚駿峰, 鄒旭東, 馮凱 申請人:上海大學