[发明专利]麦克纳姆轮驱动式球形移动机器人

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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，第一种如中国发明专利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。

发明内容

本发明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，本发明的构思是：

本发明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。本发明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。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：