本发明专利技术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。本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术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。本专利技术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。【专利说明】麦克纳姆轮驱动式球形移动机器人
本专利技术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。
技术介绍
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，第一种如中国专利技术专利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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术的构思是： 本专利技术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。本专利技术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。 根据上述专利技术构思，本专利技术采用下述技术方案： 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 头用性。 本专利技术与现有技术相比，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。 【专利附图】【附图说明】 图1是本专利技术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】 以下结合附图对本专利技术的优选实本文档来自技高网...
【技术保护点】
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）。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：谢少荣，祝川，姚骏峰，邹旭东，冯凯，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海;31
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