CN104097706A - 麦克纳姆轮驱动式球形移动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种麦克纳姆轮驱动式球形移动机器人。该机器人包括一个刚性的球壳、4根车用气动杆作为支撑杆、一个机架、2个麦克纳姆轮及内部的轮毂电机、一个电源模块及其无线充电装置、一个主控制模块。所述的两个麦克纳姆轮通过对称固定在机架上正交布置来提供两个垂直正交的驱动力，所述的4根支撑杆则一端与机架固定连接另外一端与球壳内表面接触，并且4根气动杆均匀分布在垂直于轮子所在平面的同一平面内，与两个轮子共同构成了一个6点稳定支撑结构。所述的控制模块和电池等器件则统统固定于机架上，尽量让整个内部机构简化。本发明简化了球形机器人的内部结构，减少接触式驱动的能量损耗。

Description

麦克纳姆轮驱动式球形移动机器人

技术领域

本发明涉及主动式全自主球形机器人领域，特别涉及一种麦克纳姆轮驱动式球形移动机器人。

背景技术

球形机器人具有内部机器人部件和外部环境完全隔绝的特点，在科学探索上有着极为特殊的优势。同传统的轮式、履带式或足式移动机器人相比，球形机器人具有更好的野外适应能力，不容易倾覆失效，在探索一些特殊恶劣环境，如沙丘、雪地、冰缝等时，传统的轮式或者足式机器人会遇到越障和行进困难的问题，而球形机器人利用其结构特点可以解决这些问题。

现代球形机器人的研究工作开始于上世纪九十年代，自从芬兰赫尔辛基科技大学的海尔姆（Halme）等人于1996年制作了第一个球形机器人后， 球形机器人逐渐成为国内外智能机器人研究领域的热点之一。总体来看，现有的球形机器人根据功能的不同，方案各种各样，基本上可以分为：接触驱动、配重驱动、电磁驱动以及风力驱动四种形式。

其中配重驱动类型的球形机器人是被研究的最多的一类型的球形机器人。该类型的机器人主要有两种类型，第一种如中国发明专利ZL200810111880.4公开的“三驱动球形机器人”，该种球形机器人利用重摆绕轴的转动产生的力矩来改变机器人的重心，来实现球形机器人的运动。第二种如密西根州立大学的路易斯（Louis.Flynn）等人研制的球形机器人利用改变球体内的配重块的位置来实现球体的重心的改变。这两种形式的球形机器人本质上都是通过改变配重的位置来实现球体重心的改变，最终实现球体的直走和转弯。这一类型球形机器人的结构较为简单，控制方法较容易实现，但是通过重摆的转动来改变球体的运动状态的方法是一种间接控制的方法，系统会存在一定的延时和失衡风险。

而另外一种接触驱动类型的球形机器人是利用一个小车在球体内运动来改变球体的重心从而实现球体的运动。该类型的球形机器人运动部件与球体表面是接触的，该种接触型的球形机器人原理上最为简单的就是将一辆小车放在球体的内部通过驱动小车运动来驱动球体运动，比如在2003年时阿尔维斯（Alves.J）等人就提出将一辆四轮车放在封闭球体内来得到仓鼠球原型。这是由于该球形机器人的运动原理同仓鼠球利用仓鼠在球壳内跑动来推动小球运动时相同的，但该种类型的球形机器人能量损耗大，同时会由于轮子和球壳的相互滑动而使控制不够精确和有效。接触型的球形机器人还有比如北京航空航天大学战强等人研制的BHQ3球形机器人和哈工大的岳明等人研制的HIT球形机器人，他们都使用了驱动轮和球壳内表面接触的驱动方式来控制球形机器人的运动。这一类型的球形移动机器人由于轮和球壳的直接接触而使得摩擦能量损失很大，但是这一类型的球形机器人也有控制迅速的优点。

发明内容

本发明的目的在于针对上述两种不同驱动类型的球形机器人的优缺点，提出一种麦克纳姆轮驱动式球形移动机器人，旨在简化球形机器人的内部结构，减少接触式驱动的能量损耗，并且利用接触式球形机器人的响应快速的特点来实现机器人的灵活控制。

为了达到上述要求，本发明的构思是：

本发明设计的球形机器人具有全向性和良好的机动性能。为了实现机器人运动的全向性，将机器人的运动解耦为两个互相垂直正交方向上的运动。通过驱动该两个方向上的麦克纳姆轮的运动来得到球体在这两个方向上的运动，并且通过合成这两个方向上的运动来得到球体不同的运动状态。本结构使用两个麦克纳姆轮正交对称布置来实现球体的解耦运动，利用麦克纳姆轮的运动全向性也可简化机构模型，有利于球体的运动控制。为了减少球体运动过程当中的转动惯性给球体控制带来的影响，应尽量减小球体的体积并且将重心集中，这样可以获得更好的运动性能。本发明设计考虑到球体运动过程中内部结构和球壳之间的硬接触会比较激烈，使用了4根支撑杆来相对约束内部机构和球壳之间的位置，这样使得两个轮子和四根气动杆共同构成了一个6点稳定支撑结构。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一个麦克纳姆轮驱动式球形移动机器人，包括一个刚性的球壳、4根支撑杆、一个内置固定机架、两个麦克纳姆轮及内部的轮毂电机；一个主控制器和一个电源。其特征在于：所述球壳由左右两半球的外壳装配而成，该两个半球形外壳是在内部所有部件安装完成之后再进行最后的装配的，而球体内部的所有部件都安装在所述内置固定机架上,所述两个麦克纳姆轮分别安装在内置固定机架的上下两端对称布置，其中麦克纳姆轮和麦克纳姆轮的正运动方向符合垂直正交的关系——即两轮轴线互相垂直；所述主控制器和电源分别安装在内置固定机架两侧的A面和B面的下部；四根支撑杆的一端分别与固定机架的A、B、C、D面的几何中心通过螺纹连接对称分布在同一平面上，支撑杆的另外一端顶住球壳内壁，通过支撑杆与球壳内壁表面之间的相互挤压来约束支撑杆。

4根气弹簧则一端与机架螺纹固定连接另外一端与球壳内表面接触，并且4根气弹簧均匀分布在垂直于轮子所在平面的同一平面内，与两个轮子共同构成了一个6点稳定支撑结构，保证了球体在运动过程中内部结构的充分稳定，而气弹簧利用其阻尼效应可以减少球体运动过程中内部结构和球面接触的机械损伤，起到缓冲减震的作用。

电池使用的是大容量的锂电池并且带有无线充电模块的接收端以便可以使用无线充电模块来给机器人充电从而简化充电的过程，省去了换电池的麻烦，提高了机器人的实用性。

本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

(1) 作为一种接触式驱动类型的球形移动机器人，它使用的是麦克纳姆轮作为接触元件，由于麦克纳姆轮的全向性的特点，使得机器人在工作状态特别是高速工作状态时不必担心轮子卡死而带来机械故障的情况，也可以减少能量的损失。

(2) 使用商用气弹簧作为支撑元件，利用其本身的阻尼效应既可以承受足够大的载荷又能够减少机械碰撞中的应力冲击，并且有成品可以购买从而减少成本，简化制造工序。

(3) 将麦克纳姆轮和轮毂电机集成设计，简化了整体驱动部分的结构以及繁琐的安装和装配问题，为球体尺寸减小提供了更多的可能，在很大程度上优化了球体内部结构。

(4) 使用无线充电模块来给电池充电，省去了电池更换的麻烦，提高了机器人的实用性。

附图说明

图1是本发明的整体立体结构示意图。

图2是麦克纳姆轮1的主运动方向示意图。

图3是麦克纳姆轮2的主运动方向示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例作进一步的说明。

实施例一：

参见图1，本麦克纳姆轮驱动式主动球形机器人包括：一个刚性的球壳（3），该球形外壳由左右半球体装配而成；4根支撑杆（2）；一个内置固定机架（4）；两个麦克纳姆轮及其内部的轮毂电机（5）；一个主控制器（6），一个电源（1）。其特征在于，两个半球形球壳（3）是在里面的所有部件安装完成之后再进行最后的装配的，而球体内部的所有部件都是安装在固定机架（4）上通过机架来保证相互之间的定位关系。其中两个麦克纳姆轮及其内部的轮毂电机（5）分别安装在固定机架（4）的两端对称布置，并且麦克纳姆轮1和麦克纳姆轮2的正运动方向符合垂直正交的关系。主控制器（6）和电源（1）分别安装在机架的A面和B面的下部，从而来保证机架的整体质量均匀分布，使球体的整体重心尽量在几何中心处。这样的器件布置使结构更加的紧凑，球体在运动过程中机架及固定安装在其上的所有器件都可以看成一个整体，使机器人在运动过程中的动力学模型更加的简单，有利于对球形机器人进行控制。四根支撑杆（2）的一端分别与固定机架（4）的A、B、C、D面的几何中心通过螺纹连接对称分布在同一平面上，起到约束机架的作用，使整体结构更加的稳固，在4根支撑杆（2）和两个麦克纳姆轮（5）的作用下，球内的部件和球壳有一个相对稳定的位置关系，保证了机架及其依附的器件在球体运动过程当中的稳定性。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：所述4根支撑杆（2）是由商用气弹簧改进得到的，利用气弹簧的阻尼作用，可以减少球体在运动过程中机架与球壳表面之间的硬碰撞，起到缓震作用。又由于轮子与球壳之间的接触也是一个软接触，支撑点与机架之间的缓冲作用也使球壳和内部机架之间的互相受力更加的平衡。4根支撑杆（2）和球壳（3）内表面的4个接触点和两个麦克纳姆轮（5）与球壳（3）的接触点构成了一个几何上的球面6点接触稳定结构，增加了整个机器人系统的稳定性。

实施例三：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：将轮毂电机和麦克纳姆轮集成为一体式的结构，麦克纳姆轮的内部是一个轮毂电机，轮毂电机将动力、传动和制动装置都整合到轮毂内，无须多余的外部机械结构，而轮毂外面的轮面是麦克纳姆轮式的结构，这种将麦克纳姆轮和电机结合在一起的轮毂电机技术简化了球体内部的机械结构。电源使用的是一个大容量的锂电池，而该电源使用了一个无线充电模块作为它的充电装置，将无线充电的接收端和电池紧贴在一起，给电源充电时只需将发送端和接收端贴合即可给电池充电，省去了更换电池的麻烦。

本发明的工作过程如下：

本主动式球形机器人能够通过两个垂直正交方向上的麦克纳姆轮接触式驱动方法实现灵活、自主地行进。机器人正常启动之后，根据传感器采集的球体姿态信心，主控制器控制两个麦克纳姆轮各运动一定的角度来保持球体的实时平衡。在球体运动过程中，麦克纳姆轮1的主运动方向如图2所示，麦克纳姆轮2的主运动方向如图3所示，由图可看出两个轮子的主运动方向是垂直正交的，该发明中两个麦克纳姆轮两个方向上的独立解耦驱动方式能够合成机器人运动过程当中的任意曲率半径的曲线行走，依靠接触式球形机器人的响应快速的特点实现机器人的高速运转。根据地形及实时人为操控的需要，通过控制两个麦克纳姆轮的不同运动状态来规划机器人的行走路径。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落在本发明的保护范围。 

Claims (5)

1.一种麦克纳姆轮驱动式球形移动机器人,包括一个刚性的球壳（3）、4根支撑杆（2）、一个内置固定机架（4）、两个麦克纳姆轮及内部的轮毂电机（5-1,5-2）；一个主控制器（6）和一个电源（1）。

2.其特征在于：所述球壳（3）由左右两半球的外壳装配而成，该两个半球形外壳是在内部所有部件安装完成之后再进行最后的装配的，而球体内部的所有部件都安装在所述内置固定机架（4）上,所述两个麦克纳姆轮（5-1,5-2）分别安装在内置固定机架（4）的上下两端对称布置，其中麦克纳姆轮(5-1)和麦克纳姆轮(5-2)的正运动方向符合垂直正交的关系——即两轮轴线互相垂直；所述主控制器（6）和电源（1）分别安装在内置固定机架（4）两侧的A面和B面的下部；四根支撑杆（2）的一端分别与固定机架（4）的A、B、C、D面的几何中心通过螺纹连接对称分布在同一平面上，支撑杆（2）的另外一端顶住球壳（3）内壁，通过支撑杆（2）与球壳（3）内壁表面之间的相互挤压来约束支撑杆（2）。

3.根据权利要求1所述的麦克纳姆轮驱动式球形移动机器人，其特征在于：所述4根支撑杆（2）是在商用的气弹簧的基础上改进而来，商用气弹簧由缸筒、活塞、密封件和外部连接件组成，在受力时它运动平稳，能起阻尼缓冲作用，能够减少球体在运动过程中固定机架（4）和球壳（3）表面之间的冲击，起到缓震作用；将气弹簧的外部连接件一端改进为螺纹的接口和固定机架（4）连接，另外一端改进为球形的突起，与球壳（3）内壁接触时增加表面接触力。

4.根据权利要求1所述的麦克纳姆轮驱动式球形移动机器人，其特征在于：麦克纳姆轮（5-1，5-2）的内部是一个轮毂电机，轮毂电机将动力、传动和制动装置都整合到轮毂内，无须多余的外部机械结构，而轮毂外面的轮面是麦克纳姆轮式的结构，这种将麦克纳姆轮和电机结合在一起的轮毂电机技术简化了球体内部的机械结构，装配球体变得更加的简单。

5.根据权利要求1所述的麦克纳姆轮驱动式球形移动机器人，其特征在于：给整个系统提供能源的电源（1）是一个大容量的电池，该电源（1）使用一个无线充电模块作为它的充电装置，无线充电的接收端紧贴在电池的外表面，给电池充电时只需将发送端和接收端贴合即可给电池充电，省去了更换电池的麻烦。