小型多用途球形无人车的研发

李轩

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201714026

摘要：小型多用途球形无人车基于球形机器人设计原理技术，适用于狭缝、管道、等特殊环境的侦查和作业。实现了球形无人车的普遍性使用的改造，解决了球形无人车成本高、技术门槛高、任务适应性差等难题。

关键词：多用途；球行无人车；研发

球形无人车外形呈球体，或高度近似球体的椭球体。球形无人车的运动执行机构、传感器、控制器、能源装置安装在一球形壳体内。大多数球形机器人的驱动系统位于球壳（或球体）内部，通过内驱动方式实现球体运动的。

球形无人车的研制难点在于，其基础理论还不够完善，技术层面处在起步阶段。在技术层面，其研制主要面临驱动模块设计、姿态感知与控制、任务平台设计等几个方面的困难。

球形无人车外形独特，隐蔽性欺骗性极高。同时拥有独特的环境与地形适应能力，能够适应管道、裂缝、高浓度气体与液体等地型与环境，相比传统机器人具有独特的优势。

球形无人车在受到外界干扰后，姿态恢复能力较强。地面接触面积较小，阻力小噪音低，能耗小，效率高，是一种高效的机械。

另外，随着科技水平的发展。还出现了一些针对某些行星微重力环境而设计的跳跃式球形机器人，这类机器人依靠电磁铁吸引释放驱动配重实现球形机器人的跳跃式行进。其机动性强、探测范围广、能耗低，非常适合对微重力行星进行环境探测。

目前，傳统履带式或轮式机器人大多难以胜任管道、狭缝等特殊工作环境。导致许多探测工作不得不使用其他成本更高、更为复杂的探测技术完成。基于以上情况，设计一種便携式球形无人车。利用异形优势，可胜任管道、狭缝等特殊环境的行走工作需求。能广泛应用与侦查、勘测、灾害救援等各个领域。具有很强实用性。为了实现上述功能，基于异形机器人原理技术，设计开发了多用途求形无人车。

为了实现以上目标，我们先后尝试了球壳内四轮差速小车驱动平台、双轮自平衡车驱动平台。但此类平台对壳体与车轮、撑杆万向轮的配合精度要求较高。不利于进行快速定制。为了实现快速定制化设计制造，我们果断选择了较稳妥的电机直接驱动球壳，利用配平配重偏离中轴线产生的偏转力矩与反扭矩驱动其完成专项动作。

由此，球形无人车主要由圆形电机固定片、驱动电机、控制模块或电子调速器、指向随动设备支架、连杆、转向伺服舵机、转向配重支架、转向配重、电池、通信与接收模块、壳体与电机固定支架等组建构成。球形车运行时由电机驱动球壳运动，伺服舵机驱动转向配重架调节转向配重的位置，利用转向配重旋转时产生的反扭矩以及车辆重心的变化实现车辆的转向。所有设备均安装在可拆开球形壳体中，车辆外观整洁利于车辆的隐蔽伪装等。

另外此种球形无人车还拥有较高的模块化设计制造能力，针对不同外形与尺寸的球壳，仅需改装转向配重支架与指向随动设备支架的尺寸即可完成内部工作模块与球形壳体的较好匹配。针对增加内部设备带来的重量与重心变化，仅需修改配重的重量即可实现无人车的流畅运动。

新型球形无人车尺寸小、成本低、模块化程度高、工作可靠、适用于管道、裂缝等多种特殊环境与地形，具有广阔的发展前景。

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基金项目：大学生创新创业训练计划项目（201610059039）