小型多用途球形無(wú)人車(chē)的研發(fā)

李軒

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201714026

摘要：小型多用途球形無(wú)人車(chē)基于球形機(jī)器人設(shè)計(jì)原理技術(shù)，適用于狹縫、管道、等特殊環(huán)境的偵查和作業(yè)。實(shí)現(xiàn)了球形無(wú)人車(chē)的普遍性使用的改造，解決了球形無(wú)人車(chē)成本高、技術(shù)門(mén)檻高、任務(wù)適應(yīng)性差等難題。

關(guān)鍵詞：多用途；球行無(wú)人車(chē)；研發(fā)

球形無(wú)人車(chē)外形呈球體，或高度近似球體的橢球體。球形無(wú)人車(chē)的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器、控制器、能源裝置安裝在一球形殼體內(nèi)。大多數(shù)球形機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)位于球殼（或球體）內(nèi)部，通過(guò)內(nèi)驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)球體運(yùn)動(dòng)的。

球形無(wú)人車(chē)的研制難點(diǎn)在于，其基礎(chǔ)理論還不夠完善，技術(shù)層面處在起步階段。在技術(shù)層面，其研制主要面臨驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)、姿態(tài)感知與控制、任務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面的困難。

球形無(wú)人車(chē)外形獨(dú)特，隱蔽性欺騙性極高。同時(shí)擁有獨(dú)特的環(huán)境與地形適應(yīng)能力，能夠適應(yīng)管道、裂縫、高濃度氣體與液體等地型與環(huán)境，相比傳統(tǒng)機(jī)器人具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

球形無(wú)人車(chē)在受到外界干擾后，姿態(tài)恢復(fù)能力較強(qiáng)。地面接觸面積較小，阻力小噪音低，能耗小，效率高，是一種高效的機(jī)械。

另外，隨著科技水平的發(fā)展。還出現(xiàn)了一些針對(duì)某些行星微重力環(huán)境而設(shè)計(jì)的跳躍式球形機(jī)器人，這類(lèi)機(jī)器人依靠電磁鐵吸引釋放驅(qū)動(dòng)配重實(shí)現(xiàn)球形機(jī)器人的跳躍式行進(jìn)。其機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、探測(cè)范圍廣、能耗低，非常適合對(duì)微重力行星進(jìn)行環(huán)境探測(cè)。

目前，傳統(tǒng)履帶式或輪式機(jī)器人大多難以勝任管道、狹縫等特殊工作環(huán)境。導(dǎo)致許多探測(cè)工作不得不使用其他成本更高、更為復(fù)雜的探測(cè)技術(shù)完成。基于以上情況，設(shè)計(jì)一種便攜式球形無(wú)人車(chē)。利用異形優(yōu)勢(shì)，可勝任管道、狹縫等特殊環(huán)境的行走工作需求。能廣泛應(yīng)用與偵查、勘測(cè)、災(zāi)害救援等各個(gè)領(lǐng)域。具有很強(qiáng)實(shí)用性。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，基于異形機(jī)器人原理技術(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了多用途求形無(wú)人車(chē)。

為了實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，我們先后嘗試了球殼內(nèi)四輪差速小車(chē)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)、雙輪自平衡車(chē)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)。但此類(lèi)平臺(tái)對(duì)殼體與車(chē)輪、撐桿萬(wàn)向輪的配合精度要求較高。不利于進(jìn)行快速定制。為了實(shí)現(xiàn)快速定制化設(shè)計(jì)制造，我們果斷選擇了較穩(wěn)妥的電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)球殼，利用配平配重偏離中軸線產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)力矩與反扭矩驅(qū)動(dòng)其完成專(zhuān)項(xiàng)動(dòng)作。

由此，球形無(wú)人車(chē)主要由圓形電機(jī)固定片、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制模塊或電子調(diào)速器、指向隨動(dòng)設(shè)備支架、連桿、轉(zhuǎn)向伺服舵機(jī)、轉(zhuǎn)向配重支架、轉(zhuǎn)向配重、電池、通信與接收模塊、殼體與電機(jī)固定支架等組建構(gòu)成。球形車(chē)運(yùn)行時(shí)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)球殼運(yùn)動(dòng)，伺服舵機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向配重架調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向配重的位置，利用轉(zhuǎn)向配重旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的反扭矩以及車(chē)輛重心的變化實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的轉(zhuǎn)向。所有設(shè)備均安裝在可拆開(kāi)球形殼體中，車(chē)輛外觀整潔利于車(chē)輛的隱蔽偽裝等。

另外此種球形無(wú)人車(chē)還擁有較高的模塊化設(shè)計(jì)制造能力，針對(duì)不同外形與尺寸的球殼，僅需改裝轉(zhuǎn)向配重支架與指向隨動(dòng)設(shè)備支架的尺寸即可完成內(nèi)部工作模塊與球形殼體的較好匹配。針對(duì)增加內(nèi)部設(shè)備帶來(lái)的重量與重心變化，僅需修改配重的重量即可實(shí)現(xiàn)無(wú)人車(chē)的流暢運(yùn)動(dòng)。

新型球形無(wú)人車(chē)尺寸小、成本低、模塊化程度高、工作可靠、適用于管道、裂縫等多種特殊環(huán)境與地形，具有廣闊的發(fā)展前景。

驗(yàn)證機(jī)主視圖

基金項(xiàng)目：大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201610059039）