[发明专利]一种行星轮和蜗轮蜗杆传动驱动的球形机器人

说明书

技术领域

    本发明涉及一种行星轮和蜗轮蜗杆传动驱动的球形机器人，是一种可以运用于极地科考探测的球形机器人。属于新型机器人开发的领域。

背景技术

    南极被人们称为第七大陆，是地球上最后一个被发现、唯一没有土著人居住的大陆。但是在这天寒地冻之下,却有着极其重要的考察意义。南极地区的矿产资源极为丰富，蕴藏的矿物有220余种。面对如此丰富的资源，人类必然需要进行勘探，研究，以便将来对它们的使用。所以，机器人便成为了侦察装置的首要选择。随着现代科学技术的发展，勘探机器人形式多种多样，可分为轮式、多足式、履带式、球形等。美国在进行月球勘探和火星探险时使用的都是轮式的机器人，虽然它移动快，承载能力强，但是在遇到路面崎岖时便难以发挥它的能力。所以，如何设计一种移动速度快,越野性能好的全方位运动机器人，是一个很有研究价值的领域。球形机器人就是为这一目的而产生的。

    与传统的机器人相比，球形机器人具有以下一些优点：在结构方面，球形机器人结构简单，控制方便，结构紧凑，占用空间小，并受到很好的保护；在性能方面，球形机器人的理论转弯半径为零，不用担心侧翻、翻倒等现象，运动阻力小，方向可控性强，具有很强的路面适应能力；在应用方面，球形机器人外部除壳体和部分螺钉以外，没有重要部件暴露在外，以及它的全封闭性，因此可以穿越水面、坑槽等恶劣的路面环境。正因如此，所以球形机器人成为一种人类开始开发和研究的新型勘探机器人，它具有广泛的研究空间和应用前景。

    自二十世纪九十年代，就已经开始有球形机器人的研究和开发，国内国外的科学家研究员们都相继提出各式各样结构不同，驱动原理不同的球形机器人，这也使得球形机器人的技术得以迅速地发展。

    芬兰赫尔辛基大学的海尔姆（Halme）等人于1996年制作了第一个球形机器人。球内设计了一套独轮内部驱动机构（Inside Drive Unit），依靠轮的滚动来改变配重重心位置，产生驱动力矩，从而使球形机器人向前滚动。

    巴塔查亚（Bhattacharya）和阿格拉瓦（Agrawal）在2000年提出了一种球形滚动机器人，

它的外壳由上、下两个半球壳组成。在每个半球壳内部均包含有接收器、电机设备、转子和蓄电池，电池安装在电机转子轴上。它的驱动系统是由两个互相垂直的转子构成的。

    哈瓦蒂（Javadi）和莫哈比（Mojabi）在2002年开发了一种全方位球形运动机器人，将它命名为“August”。August的驱动系统是由四个螺丝状的轮辐所构成的，它们安装在一个四面形结构的器件上，彼此之间互成109.47°，每个轮辐上携带有1.125kg重的砝码，能够进行上下升降，控制升降运动的电机直接安装在轮辐之上。但是这种球形机器人的缺陷在于由于砝码移动较慢，所以控制过程中响应慢，遇到紧急情况无法迅速做出动作，在恶劣环境中无法迅速适应。

2005年,瑞典乌普萨拉大学的布鲁恩(Bruhn)等人研制出了一种用于星球探测的球形机器人，该机器人由一根长轴和一个配重块组成，它有两个驱动电机，一个电机驱动长轴转动，另一个电机驱动配重块，使其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全方位运动。

我国在球形机器人研究方面起步较晚，但是，到目前为止，北京邮电大学、北京航空航天大学、上海交通大学、苏州大学、西安电子科技大学等院校都在球形机器人研究方面取得了一定研究成果。

我国第一台球形机器人样机是由北京邮电大学孙汉旭教授领导的课题组在2001年研制出来的。该球形机器人通过不断调节和改变配重的位置，因而产生转动驱动力矩，实现球形机器人的滚动。其运动的具体实现方式是通过两个电机分别驱动两组齿轮传动机构，从而带动相应的配重块向一定的方向偏转，以改变机器人的整体重心位置，最终使得整个球体向一定的方向移动。

2001年北京航空航天大学的战强教授领导的课题组研制了一种球形机器人BHQ-1，该机器人共采用两个直流电机，其中电机1通过传动系统与外球壳相连, 可直接驱动球壳前进和后退；电机2通过传动系统与重物连接,可通过摆动重物来改变机器人的重心，从而使机器人实现转弯运动。

    哈尔滨工业大学宇航与空间机构研究所在 2002 年设计制造了一种名为“球形运动器”的装置。该运动器是由轴线共线的两个电机来进行控制的，分别实现运动器的驱动和转向两种运动方式。