一種球形載人娛樂車*

□ 李 鵬 □ 陳永當(dāng) □ 金 京 □ 黃國建 □ 王俊峰

西安工程大學(xué) 機電工程學(xué)院 西安 710048

人類已開發(fā)出各種運載器具，如地面上運行的車輛，水面上行駛的船舶，這些器具都有一定的缺陷，如在運行時會出現(xiàn)傾覆現(xiàn)象，對崎嶇不平的路面適應(yīng)性差，不能實現(xiàn)沒有轉(zhuǎn)彎半徑的方向變化，在與外界物體碰撞或急剎時，所載人或物可能發(fā)生由于慣性力而造成的硬傷害。因此，人們一直在探索一種能克服以上缺點的運載器具。

球形運載器是一種點接觸的新型載具，能夠較好克服傳統(tǒng)載具的缺點?，F(xiàn)有球形載具雖方案多樣，但大都存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工程實現(xiàn)較難、實用性較低、球體質(zhì)心較高使爬坡和越障能力不足等問題。有的不能改變球形裝置的運動方向，有的雖能改變運動方向，但要求兩電機必須分別克服球殼的轉(zhuǎn)動慣量和重物的轉(zhuǎn)動慣量，因而對電機力矩的要求較高，能耗高?，F(xiàn)有的球形機器人只具備運動能力，而沒有對外操作能力［1］，基本上不具備負重載人的功能，實用性較差，在很大程度上限制了該類運載器具的推廣應(yīng)用。

本設(shè)計旨在克服上述缺點，開發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、具有負重載人功能、充滿休閑娛樂趣味、實用價值強的球形娛樂車，與常見的輪式、履帶式和腿式球形車相比，球形娛樂車的最大特點是其特殊的外形和運動方式，球形外殼使其自身在失穩(wěn)后能經(jīng)過短暫的調(diào)整迅速恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，因此不怕翻車［2］。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

該娛樂車主要包括球形外殼、驅(qū)動裝置和轉(zhuǎn)向裝置，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。操作者坐在座位上，通過操作控制手柄實現(xiàn)球體的運動及制動，通過操作轉(zhuǎn)向手柄控制球體的運行方向。球殼采用亞克力材料制作，具有較高的透光度、良好的抗沖擊性和一定的彈性，既美觀又安全。

驅(qū)動部分由直流電機、同步帶傳動機構(gòu)及與球殼內(nèi)壁接觸的驅(qū)動輪組成，電機帶動傳動機構(gòu)，使驅(qū)動輪相對球殼轉(zhuǎn)動，利用反向力矩使球殼直線滾動。轉(zhuǎn)向裝置主要由重力小車、方向盤、弧形軌道組成，方向盤與重力小車用鏈條連接。行駛中，駕駛者通過對方向盤的操控使重力小車左右移動，使其質(zhì)心在其球殼內(nèi)偏移，從而實現(xiàn)球體在前行過程中的左右轉(zhuǎn)向，支架采用輕質(zhì)的鋁合金材料制作。

1.1 球殼設(shè)計

球形外殼由球殼、關(guān)節(jié)軸承、套桿組成，如圖2、圖3所示。外殼用亞克力材料，采用吹塑成型工藝制成，將兩個半球用高性能粘膠劑粘接而成。為了便于人進出，在圖2所示右側(cè)開一個方形的側(cè)門。整個球殼以合縫線為中心，與地面滾動接觸，為保證球殼與地面的接觸強度，側(cè)門離合縫線要有一定的安全距離，應(yīng)在不小于10 cm處開設(shè)。當(dāng)驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動時，在反向力矩的作用下，球殼會在總體部件質(zhì)心偏移的情況下繞關(guān)節(jié)軸承轉(zhuǎn)動，從而將內(nèi)部的驅(qū)動轉(zhuǎn)為外部的轉(zhuǎn)動。

▲圖1 娛樂車總體結(jié)構(gòu)示意圖

▲圖2 球殼

▲圖3 關(guān)節(jié)軸承與套桿

▲圖4 底架及驅(qū)動電機

▲圖5 弧形同步齒形帶軌道

▲圖6 控制手柄

▲圖7 鏈傳動支架

為了確保驅(qū)動輪與球殼內(nèi)壁始終保持無干涉的高副接觸，采用關(guān)節(jié)軸承與伸縮套桿組合結(jié)構(gòu)，構(gòu)成了全方位的游動、懸掛支承，以降低制造裝配的尺寸精度。關(guān)節(jié)軸承一端與球殼通過螺紋連接，另一端通過套桿與內(nèi)部底座連接。球殼質(zhì)量約為79.4 kg，設(shè)計承載能力為60 kg，整個娛樂車的質(zhì)量約為165 kg，為增加球殼內(nèi)壁的支撐強度，在球殼內(nèi)壁與關(guān)節(jié)軸承連接處有兩個圓柱面，粘貼在球殼內(nèi)壁上，提高安全性。

1.2 驅(qū)動設(shè)計

驅(qū)動裝置由電機、底架、驅(qū)動輪、弧形同步齒形帶軌道等部分組成，如圖4、圖5所示。選用120 W的直流電機，當(dāng)電機工作時，通過帶傳動帶動驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動，致使驅(qū)動部分沿球殼內(nèi)壁向前滾動，整體質(zhì)心向前偏移，從而達到使球殼向前轉(zhuǎn)動的目的。

采用電池作為電機的電源，球殼的轉(zhuǎn)速是由駕駛者通過操作手柄調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速控制，類似于電動摩托車。底盤由鋁合金材料制成，底盤的前后有兩個弧形軌道，在弧形軌道上安放同步齒形帶，通過改裝同步齒形帶，使傳動更精確，有效防止了其上座椅部分的前后擺動。中間的一對弧形軌道，主要用于防止座椅左右滑動時沖出底座。

采用柔性部件組合，使整個裝置約束嚴密卻又不失靈活，球形娛樂車平面運動系統(tǒng)為一個欠驅(qū)動系統(tǒng)，也是一個非完整系統(tǒng)［3］。底座的高度比球心的高度低，因此運動時不會翻車，本作品是類似不倒翁的移動載體［4］。

1.3 轉(zhuǎn)向原理

轉(zhuǎn)向裝置由控制手柄、帶輪、鏈輪和鏈條等零部件組成，

如圖6、圖7所示。當(dāng)轉(zhuǎn)動控制手柄右半部分時，電機通電啟動，實現(xiàn)驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)動，從而控制整個裝置的前進和后退。當(dāng)左右轉(zhuǎn)動控制手柄時，在扭轉(zhuǎn)力矩的作用下，帶動鏈傳動支架上（圖7）的鏈輪轉(zhuǎn)動，在鏈傳動支架上布置有鏈條，通過鏈條帶動底座上的鏈輪轉(zhuǎn)動，鏈輪固定在一根軸上，底座前后弧形軌道各有一個同步齒形帶，同步帶輪在帶上轉(zhuǎn)動，通過這根軸使兩帶輪作同步運動。

通過小車左右移動改變座椅及人的質(zhì)心，進而改變球體質(zhì)心的位置［5］，實現(xiàn)球殼轉(zhuǎn)向。球殼轉(zhuǎn)彎半徑的大小是由小車左右移動量的大小來控制，由于內(nèi)部質(zhì)心略有偏移，球殼就會順勢偏轉(zhuǎn)，因此轉(zhuǎn)彎半徑非常小，操作起來十分靈活。

2 總結(jié)

2.1 主要創(chuàng)新點

（1）球形娛樂車的質(zhì)心始終低于球體中心，從而使其內(nèi)部的機座始終處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，因此在復(fù)雜運動狀態(tài)下都不會翻車。

（2）外形是一個球形的殼體，與地面及外界物體始終為點接觸，從而使其在轉(zhuǎn)向時轉(zhuǎn)彎半徑非常?。ㄐ∮谇驓ぶ睆剑Σ磷枇π?，能耗低，環(huán)保節(jié)能，并且與外界物體碰撞時的抗沖擊性和安全性極高。

（3）球殼與車身之間，通過關(guān)節(jié)軸承與軸套的巧妙組合，構(gòu)成了全方位的游動、懸掛支承，以確保驅(qū)動輪與球殼接觸同時具有很強的自適應(yīng)調(diào)整性能。

2.2 應(yīng)用推廣

本作品變傳統(tǒng)的平面運動為滾動，將難以控制的球形運動變得簡單、可靠、安全，尤其在大直徑、載人負重及實用性方面的獨特設(shè)計，使其具有良好的推廣應(yīng)用價值。目前是針對兒童開發(fā)的一款娛樂車，突出趣味性、安全性和可操控性，強調(diào)的是新概念、新感覺。但它更具有極強的二次開發(fā)性，根據(jù)需要完全可制成有人、無人控制；機控、電控；水、陸兩棲；運載、探測；平時、戰(zhàn)時等各種裝置，應(yīng)用前景十分廣闊。

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