麥克納姆輪驅(qū)動(dòng)式球形移動(dòng)機(jī)器人的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種麥克納姆輪驅(qū)動(dòng)式球形移動(dòng)機(jī)器人。該機(jī)器人包括一個(gè)剛性的球殼、4根車用氣動(dòng)桿作為支撐桿、一個(gè)機(jī)架、2個(gè)麥克納姆輪及內(nèi)部的輪轂電機(jī)、一個(gè)電源模塊及其無(wú)線充電裝置、一個(gè)主控制模塊。所述的兩個(gè)麥克納姆輪通過(guò)對(duì)稱固定在機(jī)架上正交布置來(lái)提供兩個(gè)垂直正交的驅(qū)動(dòng)力，所述的4根支撐桿則一端與機(jī)架固定連接另外一端與球殼內(nèi)表面接觸，并且4根氣動(dòng)桿均勻分布在垂直于輪子所在平面的同一平面內(nèi)，與兩個(gè)輪子共同構(gòu)成了一個(gè)6點(diǎn)穩(wěn)定支撐結(jié)構(gòu)。所述的控制模塊和電池等器件則統(tǒng)統(tǒng)固定于機(jī)架上，盡量讓整個(gè)內(nèi)部機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化。本發(fā)明簡(jiǎn)化了球形機(jī)器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，減少接觸式驅(qū)動(dòng)的能量損耗。
【專利說(shuō)明】麥克納姆輪驅(qū)動(dòng)式球形移動(dòng)機(jī)器人

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及主動(dòng)式全自主球形機(jī)器人領(lǐng)域，特別涉及一種麥克納姆輪驅(qū)動(dòng)式球形 移動(dòng)機(jī)器人。

【背景技術(shù)】
[0002] 球形機(jī)器人具有內(nèi)部機(jī)器人部件和外部環(huán)境完全隔絕的特點(diǎn)，在科學(xué)探索上有著 極為特殊的優(yōu)勢(shì)。同傳統(tǒng)的輪式、履帶式或足式移動(dòng)機(jī)器人相比，球形機(jī)器人具有更好的野 外適應(yīng)能力，不容易傾覆失效，在探索一些特殊惡劣環(huán)境，如沙丘、雪地、冰縫等時(shí)，傳統(tǒng)的 輪式或者足式機(jī)器人會(huì)遇到越障和行進(jìn)困難的問(wèn)題，而球形機(jī)器人利用其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以解 決這些問(wèn)題。
[0003] 現(xiàn)代球形機(jī)器人的研究工作開(kāi)始于上世紀(jì)九十年代，自從芬蘭赫爾辛基科技大學(xué) 的海爾姆（Halme)等人于1996年制作了第一個(gè)球形機(jī)器人后，球形機(jī)器人逐漸成為國(guó)內(nèi) 外智能機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一?？傮w來(lái)看，現(xiàn)有的球形機(jī)器人根據(jù)功能的不同，方案各 種各樣，基本上可以分為：接觸驅(qū)動(dòng)、配重驅(qū)動(dòng)、電磁驅(qū)動(dòng)以及風(fēng)力驅(qū)動(dòng)四種形式。
[0004] 其中配重驅(qū)動(dòng)類型的球形機(jī)器人是被研究的最多的一類型的球形機(jī)器人。該類型 的機(jī)器人主要有兩種類型，第一種如中國(guó)發(fā)明專利ZL200810111880. 4公開(kāi)的"三驅(qū)動(dòng)球形 機(jī)器人"，該種球形機(jī)器人利用重?cái)[繞軸的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的力矩來(lái)改變機(jī)器人的重心，來(lái)實(shí)現(xiàn)球 形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。第二種如密西根州立大學(xué)的路易斯（Louis. Flynn)等人研制的球形機(jī)器 人利用改變球體內(nèi)的配重塊的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)球體的重心的改變。這兩種形式的球形機(jī)器人本 質(zhì)上都是通過(guò)改變配重的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)球體重心的改變，最終實(shí)現(xiàn)球體的直走和轉(zhuǎn)彎。這一 類型球形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，控制方法較容易實(shí)現(xiàn)，但是通過(guò)重?cái)[的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)改變球體 的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的方法是一種間接控制的方法，系統(tǒng)會(huì)存在一定的延時(shí)和失衡風(fēng)險(xiǎn)。
[0005] 而另外一種接觸驅(qū)動(dòng)類型的球形機(jī)器人是利用一個(gè)小車在球體內(nèi)運(yùn)動(dòng)來(lái)改變球 體的重心從而實(shí)現(xiàn)球體的運(yùn)動(dòng)。該類型的球形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部件與球體表面是接觸的，該種 接觸型的球形機(jī)器人原理上最為簡(jiǎn)單的就是將一輛小車放在球體的內(nèi)部通過(guò)驅(qū)動(dòng)小車運(yùn) 動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)球體運(yùn)動(dòng)，比如在2003年時(shí)阿爾維斯（Alves. J)等人就提出將一輛四輪車放在封 閉球體內(nèi)來(lái)得到倉(cāng)鼠球原型。這是由于該球形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)原理同倉(cāng)鼠球利用倉(cāng)鼠在球殼 內(nèi)跑動(dòng)來(lái)推動(dòng)小球運(yùn)動(dòng)時(shí)相同的，但該種類型的球形機(jī)器人能量損耗大，同時(shí)會(huì)由于輪子 和球殼的相互滑動(dòng)而使控制不夠精確和有效。接觸型的球形機(jī)器人還有比如北京航空航天 大學(xué)戰(zhàn)強(qiáng)等人研制的BHQ3球形機(jī)器人和哈工大的岳明等人研制的HIT球形機(jī)器人，他們都 使用了驅(qū)動(dòng)輪和球殼內(nèi)表面接觸的驅(qū)動(dòng)方式來(lái)控制球形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。這一類型的球形移 動(dòng)機(jī)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(jī)器人 也有控制迅速的優(yōu)點(diǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述兩種不同驅(qū)動(dòng)類型的球形機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)，提出一種 麥克納姆輪驅(qū)動(dòng)式球形移動(dòng)機(jī)器人，旨在簡(jiǎn)化球形機(jī)器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，減少接觸式驅(qū)動(dòng)的 能量損耗，并且利用接觸式球形機(jī)器人的響應(yīng)快速的特點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的靈活控制。
[0007] 為了達(dá)到上述要求，本發(fā)明的構(gòu)思是： 本發(fā)明設(shè)計(jì)的球形機(jī)器人具有全向性和良好的機(jī)動(dòng)性能。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的全向 性，將機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)解耦為兩個(gè)互相垂直正交方向上的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)驅(qū)動(dòng)該兩個(gè)方向上的麥 克納姆輪的運(yùn)動(dòng)來(lái)得到球體在這兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)，并且通過(guò)合成這兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)來(lái) 得到球體不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。本結(jié)構(gòu)使用兩個(gè)麥克納姆輪正交對(duì)稱布置來(lái)實(shí)現(xiàn)球體的解耦運(yùn) 動(dòng)，利用麥克納姆輪的運(yùn)動(dòng)全向性也可簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)模型，有利于球體的運(yùn)動(dòng)控制。為了減少球 體運(yùn)動(dòng)過(guò)程當(dāng)中的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性給球體控制帶來(lái)的影響，應(yīng)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(yùn)動(dòng)性能。本發(fā)明設(shè)計(jì)考慮到球體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)和球殼之 間的硬接觸會(huì)比較激烈，使用了 4根支撐桿來(lái)相對(duì)約束內(nèi)部機(jī)構(gòu)和球殼之間的位置，這樣 使得兩個(gè)輪子和四根氣動(dòng)桿共同構(gòu)成了一個(gè)6點(diǎn)穩(wěn)定支撐結(jié)構(gòu)。
[0008] 根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案： 一個(gè)麥克納姆輪驅(qū)動(dòng)式球形移動(dòng)機(jī)器人，包括一個(gè)剛性的球殼、4根支撐桿、一個(gè)內(nèi)置 固定機(jī)架、兩個(gè)麥克納姆輪及內(nèi)部的輪轂電機(jī)；一個(gè)主控制器和一個(gè)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(gè)半球形外殼是在內(nèi)部所有部件安裝完成之后 再進(jìn)行最后的裝配的，而球體內(nèi)部的所有部件都安裝在所述內(nèi)置固定機(jī)架上，所述兩個(gè)麥 克納姆輪分別安裝在內(nèi)置固定機(jī)架的上下兩端對(duì)稱布置，其中麥克納姆輪和麥克納姆輪的 正運(yùn)動(dòng)方向符合垂直正交的關(guān)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(nèi)置固定機(jī)架兩側(cè)的A面和B面的下部；四根支撐桿的一端分別與固定機(jī)架的A、B、C、 D面的幾何中心通過(guò)螺紋連接對(duì)稱分布在同一平面上，支撐桿的另外一端頂住球殼內(nèi)壁，通 過(guò)支撐桿與球殼內(nèi)壁表面之間的相互擠壓來(lái)約束支撐桿。
[0009] 4根氣彈簧則一端與機(jī)架螺紋固定連接另外一端與球殼內(nèi)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(nèi)，與兩個(gè)輪子共同構(gòu)成了一個(gè)6點(diǎn)穩(wěn)定 支撐結(jié)構(gòu)，保證了球體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)的充分穩(wěn)定，而氣彈簧利用其阻尼效應(yīng)可以 減少球體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)和球面接觸的機(jī)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?guī)в袩o(wú)線充電模塊的接收端以便可以使用無(wú) 線充電模塊來(lái)給機(jī)器人充電從而簡(jiǎn)化充電的過(guò)程，省去了換電池的麻煩，提高了機(jī)器人的 頭用性。
[0011] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下顯而易見(jiàn)的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)： (1)作為一種接觸式驅(qū)動(dòng)類型的球形移動(dòng)機(jī)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(diǎn)，使得機(jī)器人在工作狀態(tài)特別是高速工作狀態(tài)時(shí)不必 擔(dān)心輪子卡死而帶來(lái)機(jī)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(yīng)既可以承受足夠大的 載荷又能夠減少機(jī)械碰撞中的應(yīng)力沖擊，并且有成品可以購(gòu)買從而減少成本，簡(jiǎn)化制造工 序。
[0013] (3)將麥克納姆輪和輪轂電機(jī)集成設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了整體驅(qū)動(dòng)部分的結(jié)構(gòu)以及繁瑣的 安裝和裝配問(wèn)題，為球體尺寸減小提供了更多的可能，在很大程度上優(yōu)化了球體內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
[0014] (4)使用無(wú)線充電模塊來(lái)給電池充電，省去了電池更換的麻煩，提高了機(jī)器人的 實(shí)用性。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1是本發(fā)明的整體立體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016] 圖2是麥克納姆輪1的主運(yùn)動(dòng)方向示意圖。
[0017] 圖3是麥克納姆輪2的主運(yùn)動(dòng)方向示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0018] 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0019] 實(shí)施例一： 參見(jiàn)圖1，本麥克納姆輪驅(qū)動(dòng)式主動(dòng)球形機(jī)器人包括：一個(gè)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(gè)內(nèi)置固定機(jī)架（4);兩個(gè)麥克納姆輪及其內(nèi) 部的輪轂電機(jī)（5);-個(gè)主控制器（6)，一個(gè)電源（1)。其特征在于，兩個(gè)半球形球殼（3)是 在里面的所有部件安裝完成之后再進(jìn)行最后的裝配的，而球體內(nèi)部的所有部件都是安裝在 固定機(jī)架（4)上通過(guò)機(jī)架來(lái)保證相互之間的定位關(guān)系。其中兩個(gè)麥克納姆輪及其內(nèi)部的輪 轂電機(jī)（5)分別安裝在固定機(jī)架（4)的兩端對(duì)稱布置，并且麥克納姆輪1和麥克納姆輪2的 正運(yùn)動(dòng)方向符合垂直正交的關(guān)系。主控制器（6)和電源（1)分別安裝在機(jī)架的A面和B面 的下部，從而來(lái)保證機(jī)架的整體質(zhì)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(jié)構(gòu)更加的緊湊，球體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中機(jī)架及固定安裝在其上的所有器件都可 以看成一個(gè)整體，使機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)模型更加的簡(jiǎn)單，有利于對(duì)球形機(jī)器人 進(jìn)行控制。四根支撐桿（2)的一端分別與固定機(jī)架（4)的A、B、C、D面的幾何中心通過(guò)螺紋 連接對(duì)稱分布在同一平面上，起到約束機(jī)架的作用，使整體結(jié)構(gòu)更加的穩(wěn)固，在4根支撐桿 (2)和兩個(gè)麥克納姆輪（5)的作用下，球內(nèi)的部件和球殼有一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的位置關(guān)系，保證 了機(jī)架及其依附的器件在球體運(yùn)動(dòng)過(guò)程當(dāng)中的穩(wěn)定性。
[0020] 實(shí)施例二： 本實(shí)施例與實(shí)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(jìn)得到的，利用氣彈簧的阻尼作用，可以減少球體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中機(jī)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(gè)軟接觸，支撐點(diǎn)與機(jī)架之間的 緩沖作用也使球殼和內(nèi)部機(jī)架之間的互相受力更加的平衡。4根支撐桿（2)和球殼（3)內(nèi) 表面的4個(gè)接觸點(diǎn)和兩個(gè)麥克納姆輪（5)與球殼（3)的接觸點(diǎn)構(gòu)成了一個(gè)幾何上的球面6 點(diǎn)接觸穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，增加了整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0021] 實(shí)施例三： 本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，特別之處如下：將輪轂電機(jī)和麥克納姆輪集成為一體 式的結(jié)構(gòu)，麥克納姆輪的內(nèi)部是一個(gè)輪轂電機(jī)，輪轂電機(jī)將動(dòng)力、傳動(dòng)和制動(dòng)裝置都整合到 輪轂內(nèi)，無(wú)須多余的外部機(jī)械結(jié)構(gòu)，而輪轂外面的輪面是麥克納姆輪式的結(jié)構(gòu)，這種將麥克 納姆輪和電機(jī)結(jié)合在一起的輪轂電機(jī)技術(shù)簡(jiǎn)化了球體內(nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)。電源使用的是一個(gè) 大容量的鋰電池，而該電源使用了一個(gè)無(wú)線充電模塊作為它的充電裝置，將無(wú)線充電的接 收端和電池緊貼在一起，給電源充電時(shí)只需將發(fā)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(fā)明的工作過(guò)程如下： 本主動(dòng)式球形機(jī)器人能夠通過(guò)兩個(gè)垂直正交方向上的麥克納姆輪接觸式驅(qū)動(dòng)方法實(shí) 現(xiàn)靈活、自主地行進(jìn)。機(jī)器人正常啟動(dòng)之后，根據(jù)傳感器采集的球體姿態(tài)信心，主控制器控 制兩個(gè)麥克納姆輪各運(yùn)動(dòng)一定的角度來(lái)保持球體的實(shí)時(shí)平衡。在球體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，麥克納 姆輪1的主運(yùn)動(dòng)方向如圖2所示，麥克納姆輪2的主運(yùn)動(dòng)方向如圖3所示，由圖可看出兩個(gè) 輪子的主運(yùn)動(dòng)方向是垂直正交的，該發(fā)明中兩個(gè)麥克納姆輪兩個(gè)方向上的獨(dú)立解耦驅(qū)動(dòng)方 式能夠合成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程當(dāng)中的任意曲率半徑的曲線行走，依靠接觸式球形機(jī)器人的響 應(yīng)快速的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的高速運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)地形及實(shí)時(shí)人為操控的需要，通過(guò)控制兩個(gè)麥 克納姆輪的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的行走路徑。
[0023] 上述【具體實(shí)施方式】用來(lái)解釋說(shuō)明本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的 精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明做出的任何修改和改變，都落在本發(fā)明的保護(hù)范 圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種麥克納姆輪驅(qū)動(dòng)式球形移動(dòng)機(jī)器人，包括一個(gè)剛性的球殼（3)、4根支撐桿 (2)、一個(gè)內(nèi)置固定機(jī)架（4)、兩個(gè)麥克納姆輪及內(nèi)部的輪轂電機(jī)（5-1，5-2);-個(gè)主控制器 (6 )和一個(gè)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(gè)半球形外殼是在 內(nèi)部所有部件安裝完成之后再進(jìn)行最后的裝配的，而球體內(nèi)部的所有部件都安裝在所述內(nèi) 置固定機(jī)架（4)上，所述兩個(gè)麥克納姆輪（5-1，5-2)分別安裝在內(nèi)置固定機(jī)架（4)的上下 兩端對(duì)稱布置，其中麥克納姆輪（5-1)和麥克納姆輪（5-2)的正運(yùn)動(dòng)方向符合垂直正交的 關(guān)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(nèi)置固定機(jī)架（4) 兩側(cè)的A面和B面的下部；四根支撐桿（2)的一端分別與固定機(jī)架（4)的A、B、C、D面的幾 何中心通過(guò)螺紋連接對(duì)稱分布在同一平面上，支撐桿（2)的另外一端頂住球殼（3)內(nèi)壁，通 過(guò)支撐桿（2)與球殼（3)內(nèi)壁表面之間的相互擠壓來(lái)約束支撐桿（2)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的麥克納姆輪驅(qū)動(dòng)式球形移動(dòng)機(jī)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(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)，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(shí)它運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，能起阻尼緩沖作用，能夠減少球體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中固定機(jī) 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(jìn)為螺紋 的接口和固定機(jī)架（4)連接，另外一端改進(jìn)為球形的突起，與球殼（3)內(nèi)壁接觸時(shí)增加表面 接觸力。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的麥克納姆輪驅(qū)動(dòng)式球形移動(dòng)機(jī)器人，其特征在于：麥克納姆 輪（5-1，5-2)的內(nèi)部是一個(gè)輪轂電機(jī)，輪轂電機(jī)將動(dòng)力、傳動(dòng)和制動(dòng)裝置都整合到輪轂內(nèi)， 無(wú)須多余的外部機(jī)械結(jié)構(gòu)，而輪轂外面的輪面是麥克納姆輪式的結(jié)構(gòu)，這種將麥克納姆輪 和電機(jī)結(jié)合在一起的輪轂電機(jī)技術(shù)簡(jiǎn)化了球體內(nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)，裝配球體變得更加的簡(jiǎn) 單。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的麥克納姆輪驅(qū)動(dòng)式球形移動(dòng)機(jī)器人，其特征在于：給整個(gè)系 統(tǒng)提供能源的電源（1)是一個(gè)大容量的電池，該電源（1)使用一個(gè)無(wú)線充電模塊作為它的 充電裝置，無(wú)線充電的接收端緊貼在電池的外表面，給電池充電時(shí)只需將發(fā)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(hào)】B62D57/02GK104097706SQ201410147444
【公開(kāi)日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2014年4月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月14日
【發(fā)明者】謝少榮, 祝川, 姚駿峰, 鄒旭東, 馮凱 申請(qǐng)人:上海大學(xué)