[發明專利]一種行星輪和蝸輪蝸桿傳動驅動的球形機器人

有效

• 申請號: 201410068298.X
• 申請日: 2014-02-27
• 公開（公告）號: CN103847825A
• 公開（公告）日: 2014-06-11
• 發明（設計）人: 翟宇毅;李馬樅;張宇鋒;劉亮;羅均;劉樹林;劉吉成;周曉君
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: B62D57/02
• 分類號: B62D57/02;B60K17/04
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 何文欣

技術領域

????本發明涉及一種行星輪和蝸輪蝸桿傳動驅動的球形機器人，是一種可以運用于極地科考探測的球形機器人。屬于新型機器人開發的領域。

背景技術

????南極被人們稱為第七大陸，是地球上最后一個被發現、唯一沒有土著人居住的大陸。但是在這天寒地凍之下,卻有著極其重要的考察意義。南極地區的礦產資源極為豐富，蘊藏的礦物有220余種。面對如此豐富的資源，人類必然需要進行勘探，研究，以便將來對它們的使用。所以，機器人便成為了偵察裝置的首要選擇。隨著現代科學技術的發展，勘探機器人形式多種多樣，可分為輪式、多足式、履帶式、球形等。美國在進行月球勘探和火星探險時使用的都是輪式的機器人，雖然它移動快，承載能力強，但是在遇到路面崎嶇時便難以發揮它的能力。所以，如何設計一種移動速度快,越野性能好的全方位運動機器人，是一個很有研究價值的領域。球形機器人就是為這一目的而產生的。

????與傳統的機器人相比，球形機器人具有以下一些優點：在結構方面，球形機器人結構簡單，控制方便，結構緊湊，占用空間小，并受到很好的保護；在性能方面，球形機器人的理論轉彎半徑為零，不用擔心側翻、翻倒等現象，運動阻力小，方向可控性強，具有很強的路面適應能力；在應用方面，球形機器人外部除殼體和部分螺釘以外，沒有重要部件暴露在外，以及它的全封閉性，因此可以穿越水面、坑槽等惡劣的路面環境。正因如此，所以球形機器人成為一種人類開始開發和研究的新型勘探機器人，它具有廣泛的研究空間和應用前景。

????自二十世紀九十年代，就已經開始有球形機器人的研究和開發，國內國外的科學家研究員們都相繼提出各式各樣結構不同，驅動原理不同的球形機器人，這也使得球形機器人的技術得以迅速地發展。

????芬蘭赫爾辛基大學的海爾姆（Halme）等人于1996年制作了第一個球形機器人。球內設計了一套獨輪內部驅動機構（Inside?Drive?Unit），依靠輪的滾動來改變配重重心位置，產生驅動力矩，從而使球形機器人向前滾動。

????巴塔查亞（Bhattacharya）和阿格拉瓦（Agrawal）在2000年提出了一種球形滾動機器人，

它的外殼由上、下兩個半球殼組成。在每個半球殼內部均包含有接收器、電機設備、轉子和蓄電池，電池安裝在電機轉子軸上。它的驅動系統是由兩個互相垂直的轉子構成的。

????哈瓦蒂（Javadi）和莫哈比（Mojabi）在2002年開發了一種全方位球形運動機器人，將它命名為“August”。August的驅動系統是由四個螺絲狀的輪輻所構成的，它們安裝在一個四面形結構的器件上，彼此之間互成109.47°，每個輪輻上攜帶有1.125kg重的砝碼，能夠進行上下升降，控制升降運動的電機直接安裝在輪輻之上。但是這種球形機器人的缺陷在于由于砝碼移動較慢，所以控制過程中響應慢，遇到緊急情況無法迅速做出動作，在惡劣環境中無法迅速適應。

2005年,瑞典烏普薩拉大學的布魯恩(Bruhn)等人研制出了一種用于星球探測的球形機器人，該機器人由一根長軸和一個配重塊組成，它有兩個驅動電機，一個電機驅動長軸轉動，另一個電機驅動配重塊，使其在與長軸的同一平面上擺動，這兩種運動的合成實現了球形機器人的全方位運動。

我國在球形機器人研究方面起步較晚，但是，到目前為止，北京郵電大學、北京航空航天大學、上海交通大學、蘇州大學、西安電子科技大學等院校都在球形機器人研究方面取得了一定研究成果。

我國第一臺球形機器人樣機是由北京郵電大學孫漢旭教授領導的課題組在2001年研制出來的。該球形機器人通過不斷調節和改變配重的位置，因而產生轉動驅動力矩，實現球形機器人的滾動。其運動的具體實現方式是通過兩個電機分別驅動兩組齒輪傳動機構，從而帶動相應的配重塊向一定的方向偏轉，以改變機器人的整體重心位置，最終使得整個球體向一定的方向移動。

2001年北京航空航天大學的戰強教授領導的課題組研制了一種球形機器人BHQ-1，該機器人共采用兩個直流電機，其中電機1通過傳動系統與外球殼相連,?可直接驅動球殼前進和后退；電機2通過傳動系統與重物連接,可通過擺動重物來改變機器人的重心，從而使機器人實現轉彎運動。

????哈爾濱工業大學宇航與空間機構研究所在?2002?年設計制造了一種名為“球形運動器”的裝置。該運動器是由軸線共線的兩個電機來進行控制的，分別實現運動器的驅動和轉向兩種運動方式。