[发明专利]三驱动球形机器人有效

专利信息
申请号: 200810111880.4 申请日: 2008-05-19
公开(公告)号: CN101318526A 公开(公告)日: 2008-12-10
发明(设计)人: 孙汉旭;贾庆轩;曹红玉;李红义;张延恒 申请(专利权)人: 北京邮电大学
主分类号: B62D57/00 分类号: B62D57/00
代理公司: 北京北新智诚知识产权代理有限公司 代理人: 程凤儒
地址: 100876*** 国省代码: 北京;11
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摘要:
搜索关键词: 驱动 球形 机器人
【说明书】:

技术领域

发明涉及一种球形机器人,具体地说是一种运动灵活的运动冗余三驱动球形机器人。

背景技术

当前在太空探索、军事勘查、民用消防、反恐及灾难救助和野外作业工作中,移动机器人的应用越来越广泛。球形移动机器人是国内外近十几年才出现的一种新的移动机器人结构形式,是一类将驱动机构和控制系统都包含在一个球形壳体内、利用球形外壳作行走装置的移动机器人系统。与轮式、足式、履带式等传统的移动机器人相比,球形移动机器人是一种结构新颖、运动灵活、运动效率高的移动机器人。1)运动最灵活。可以实现全向驱动,转弯半径为零。2)抗倾倒性。行走机构为全向外壳,行走过程中不存在翻仰问题。3)抗环境干扰性。所有控制、驱动结构封闭于球壳内部,在雨天或荆棘环境中能够来去自如,不会发生短路或导线挂擦等问题,使得球形机器人恶劣环境的适应能力增强。4)运行效率高。行走外壳与地面接触产生的摩擦力为驱动力,没有被动摩擦轮,运动效率高,且外壳与地面的接触为点接触,对道路要求低,适应能力强。5)承载能力大。球形机器人可在其球壳内装载满载荷而灵活行走。

芬兰赫尔辛基科技大学的Halme教授等于1996年制作了第一个具有圆球外壳的两驱动球形机器人。该球形机器人的球壳内设计了一套单轮机构(IDU)驱动球体运动。但该球形机器人不能完成直线运动。意大利比萨大学的Camicia、Conticelli和Bicchi于1997年研制了一种球形车。该球形车由一中空的球体和一辆小车所构成,小车紧贴内球壳底面运动。由于在球体的外部与内部都施加了非完整约束,因此该两驱动球形机器人的控制非常复杂,不可能实现全方位行走。伊朗的Javadi和Mojabi于2002年研制了一台名为August的四驱动球形机器人。其内部驱动机构采用一套四根轮辐,每套轮辐包括一个步进电机、一根圆柱螺杆和一个配重,配重在球内沿着轮辐快速移动,改变球形机器人的重心位置,从而产生驱动力矩,使球形机器人滚动,但是由于球形机器人重心的变化由配重在支柱上的运动和球体本身运动的合成决定,球形机器人的运动模型非常复杂、控制困难。2005年,瑞典乌普萨拉大学的Fredrik C.Bruhn等人研制出了一种用于星球探测的两驱动球形机器人SMIPS[7]。它有两个驱动电机,一个驱动长轴绕球的直径方向转动,另一个驱动配重在与长轴的同一平面上摆动。这两种运动的合成实现了球形机器人的转弯,但不可能实现全方位行走,且转弯半径较大。2005年,加拿大Sherbrooke大学的F.Michaud等学者研制了一种用于儿童教育的球形机器人Roball[8]。这种球形机器人的内部机械结构与Fredrik C.Bruhn等学者研制的SMIPS相似,只是配重绕垂直于长轴的方向摆动,局限性太大,不可能有实际应用前景。

在国内也有一些单位和学者开始了球形机器人的研究工作。2001年上海交通大学杨汝清教授研制了一种同步带轮内部驱动式两驱动球形机器人SMR。这种球形机器人采用两个电机驱动,其中一个电机为换向电机,一个为驱动电机。通过两个电机的配合实现球体的转动,速度慢,结构复杂。北京航空航天大学的战强教授在2003年设计了一个通过摆臂调整配重重心位置、具有有毒气体检测与环境监测功能的球形探测机器人BHQ-1[12],在2004年设计了一个结合摆臂和驱动小车结构的球形探测机器人BHQ-2。但BHQ-1和BHQ-2两种球形移动机器人都不能实现全方位行走。2005年上海交通大学机电控制研究所的金康进,施光林等学者提出了一种四驱动的球形机器人。该机器人内部有4个对称分布的电机,每个电机带着一个偏心重块。通过电机带动偏心重块运动而改变系统质心从而实现球体向特定的方向滚动,运动速度慢,很难实现平稳滚动。2006年,西安电子科技大学机电工程学院的李团结、朱超提出了一种具有稳定平台的全向滚动两驱动球形机器人装置。该球形机器人由装在球体内部、相互垂直布置的两台伺服电机驱动,可在平面上全向滚动。在球形机器人内部有一个稳定的仪器、设备搭载平台,这个平台在球体全向滚动过程中始终保持稳定的姿态而不随球体一起滚动,但该机器人机构复杂,还没有样机实现。哈尔滨工业大学的邓宗全教授研制了一种称之为“球形运动器”的两驱动球形机器人。该球形运动器在设计上的特点是将转向和驱动行走两种运动相互分开,但该机器人不能实现全方位行走。

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