李軒

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201714026

摘要：小型多用途球形無人車基于球形機器人設計原理技術，適用于狹縫、管道、等特殊環(huán)境的偵查和作業(yè)。實現(xiàn)了球形無人車的普遍性使用的改造，解決了球形無人車成本高、技術門檻高、任務適應性差等難題。

關鍵詞：多用途；球行無人車；研發(fā)

球形無人車外形呈球體，或高度近似球體的橢球體。球形無人車的運動執(zhí)行機構、傳感器、控制器、能源裝置安裝在一球形殼體內(nèi)。大多數(shù)球形機器人的驅(qū)動系統(tǒng)位于球殼（或球體）內(nèi)部，通過內(nèi)驅(qū)動方式實現(xiàn)球體運動的。

球形無人車的研制難點在于，其基礎理論還不夠完善，技術層面處在起步階段。在技術層面，其研制主要面臨驅(qū)動模塊設計、姿態(tài)感知與控制、任務平臺設計等幾個方面的困難。

球形無人車外形獨特，隱蔽性欺騙性極高。同時擁有獨特的環(huán)境與地形適應能力，能夠適應管道、裂縫、高濃度氣體與液體等地型與環(huán)境，相比傳統(tǒng)機器人具有獨特的優(yōu)勢。

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

另外，隨著科技水平的發(fā)展。還出現(xiàn)了一些針對某些行星微重力環(huán)境而設計的跳躍式球形機器人，這類機器人依靠電磁鐵吸引釋放驅(qū)動配重實現(xiàn)球形機器人的跳躍式行進。其機動性強、探測范圍廣、能耗低，非常適合對微重力行星進行環(huán)境探測。

目前，傳統(tǒng)履帶式或輪式機器人大多難以勝任管道、狹縫等特殊工作環(huán)境。導致許多探測工作不得不使用其他成本更高、更為復雜的探測技術完成。基于以上情況，設計一種便攜式球形無人車。利用異形優(yōu)勢，可勝任管道、狹縫等特殊環(huán)境的行走工作需求。能廣泛應用與偵查、勘測、災害救援等各個領域。具有很強實用性。為了實現(xiàn)上述功能，基于異形機器人原理技術，設計開發(fā)了多用途求形無人車。

為了實現(xiàn)以上目標，我們先后嘗試了球殼內(nèi)四輪差速小車驅(qū)動平臺、雙輪自平衡車驅(qū)動平臺。但此類平臺對殼體與車輪、撐桿萬向輪的配合精度要求較高。不利于進行快速定制。為了實現(xiàn)快速定制化設計制造，我們果斷選擇了較穩(wěn)妥的電機直接驅(qū)動球殼，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)動其完成專項動作。

由此，球形無人車主要由圓形電機固定片、驅(qū)動電機、控制模塊或電子調(diào)速器、指向隨動設備支架、連桿、轉(zhuǎn)向伺服舵機、轉(zhuǎn)向配重支架、轉(zhuǎn)向配重、電池、通信與接收模塊、殼體與電機固定支架等組建構成。球形車運行時由電機驅(qū)動球殼運動，伺服舵機驅(qū)動轉(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)時產(chǎn)生的反扭矩以及車輛重心的變化實現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向。所有設備均安裝在可拆開球形殼體中，車輛外觀整潔利于車輛的隱蔽偽裝等。

另外此種球形無人車還擁有較高的模塊化設計制造能力，針對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設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。針對增加內(nèi)部設備帶來的重量與重心變化，僅需修改配重的重量即可實現(xiàn)無人車的流暢運動。

新型球形無人車尺寸小、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。

驗證機主視圖

基金項目：大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（201610059039）