[發明專利]麥克納姆輪驅動式球形移動機器人

有效

• 申請號: 201410147444.8
• 申請日: 2014-04-14
• 公開（公告）號: CN104097706B
• 公開（公告）日: 2016-10-26
• 發明（設計）人: 謝少榮;祝川;姚駿峰;鄒旭東;馮凱
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: B62D57/02
• 分類號: B62D57/02
• 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

本發明涉及主動式全自主球形機器人領域，特別涉及一種麥克納姆輪驅動式球形移動機器人。

背景技術

球形機器人具有內部機器人部件和外部環境完全隔絕的特點，在科學探索上有著極為特殊的優勢。同傳統的輪式、履帶式或足式移動機器人相比，球形機器人具有更好的野外適應能力，不容易傾覆失效，在探索一些特殊惡劣環境，如沙丘、雪地、冰縫等時，傳統的輪式或者足式機器人會遇到越障和行進困難的問題，而球形機器人利用其結構特點可以解決這些問題。

現代球形機器人的研究工作開始于上世紀九十年代，自從芬蘭赫爾辛基科技大學的海爾姆（Halme）等人于1996年制作了第一個球形機器人后，?球形機器人逐漸成為國內外智能機器人研究領域的熱點之一。總體來看，現有的球形機器人根據功能的不同，方案各種各樣，基本上可以分為：接觸驅動、配重驅動、電磁驅動以及風力驅動四種形式。

其中配重驅動類型的球形機器人是被研究的最多的一類型的球形機器人。該類型的機器人主要有兩種類型，第一種如中國發明專利ZL200810111880.4公開的“三驅動球形機器人”，該種球形機器人利用重擺繞軸的轉動產生的力矩來改變機器人的重心，來實現球形機器人的運動。第二種如密西根州立大學的路易斯（Louis.Flynn）等人研制的球形機器人利用改變球體內的配重塊的位置來實現球體的重心的改變。這兩種形式的球形機器人本質上都是通過改變配重的位置來實現球體重心的改變，最終實現球體的直走和轉彎。這一類型球形機器人的結構較為簡單，控制方法較容易實現，但是通過重擺的轉動來改變球體的運動狀態的方法是一種間接控制的方法，系統會存在一定的延時和失衡風險。

而另外一種接觸驅動類型的球形機器人是利用一個小車在球體內運動來改變球體的重心從而實現球體的運動。該類型的球形機器人運動部件與球體表面是接觸的，該種接觸型的球形機器人原理上最為簡單的就是將一輛小車放在球體的內部通過驅動小車運動來驅動球體運動，比如在2003年時阿爾維斯（Alves.J）等人就提出將一輛四輪車放在封閉球體內來得到倉鼠球原型。這是由于該球形機器人的運動原理同倉鼠球利用倉鼠在球殼內跑動來推動小球運動時相同的，但該種類型的球形機器人能量損耗大，同時會由于輪子和球殼的相互滑動而使控制不夠精確和有效。接觸型的球形機器人還有比如北京航空航天大學戰強等人研制的BHQ3球形機器人和哈工大的岳明等人研制的HIT球形機器人，他們都使用了驅動輪和球殼內表面接觸的驅動方式來控制球形機器人的運動。這一類型的球形移動機器人由于輪和球殼的直接接觸而使得摩擦能量損失很大，但是這一類型的球形機器人也有控制迅速的優點。

發明內容

本發明的目的在于針對上述兩種不同驅動類型的球形機器人的優缺點，提出一種麥克納姆輪驅動式球形移動機器人，旨在簡化球形機器人的內部結構，減少接觸式驅動的能量損耗，并且利用接觸式球形機器人的響應快速的特點來實現機器人的靈活控制。

為了達到上述要求，本發明的構思是：

本發明設計的球形機器人具有全向性和良好的機動性能。為了實現機器人運動的全向性，將機器人的運動解耦為兩個互相垂直正交方向上的運動。通過驅動該兩個方向上的麥克納姆輪的運動來得到球體在這兩個方向上的運動，并且通過合成這兩個方向上的運動來得到球體不同的運動狀態。本結構使用兩個麥克納姆輪正交對稱布置來實現球體的解耦運動，利用麥克納姆輪的運動全向性也可簡化機構模型，有利于球體的運動控制。為了減少球體運動過程當中的轉動慣性給球體控制帶來的影響，應盡量減小球體的體積并且將重心集中，這樣可以獲得更好的運動性能。本發明設計考慮到球體運動過程中內部結構和球殼之間的硬接觸會比較激烈，使用了4根支撐桿來相對約束內部機構和球殼之間的位置，這樣使得兩個輪子和四根氣動桿共同構成了一個6點穩定支撐結構。

根據上述發明構思，本發明采用下述技術方案：