蔣桂林， 邱鵬展， 何科延

（1.國防科技大學智能科學學院， 湖南 長沙 410005； 2.陸軍裝備部綜合計劃局， 北京100072）

0 引言

偵察球也被稱為“監(jiān)視球”，外形呈球狀，大小一般和一枚手雷相近，可以隨身攜帶，其內(nèi)一般裝有傳感器、無線通信設(shè)備、電池等。 使用時將其直接投擲到目的地，由傳感器采集周圍的信息， 然后由無線通信設(shè)備將這些信息傳送出來至便攜式顯控接收裝置， 借此了解遮擋建筑物內(nèi)、危險空間，甚至黑暗環(huán)境等不宜親自直接進入場所內(nèi)的情況。 因此，偵察球也稱為士兵“第三只眼”[1]。 以色列ODF 光學有限公司專門面向軍事和安全部門開發(fā)的“Eye Ball”，則是一款典型偵察球產(chǎn)品。 球體重僅0.57kg，大小如同一個網(wǎng)球， 可以任意角度將其投擲， 球體穩(wěn)定后，相機以4 轉(zhuǎn)/分的速度旋轉(zhuǎn)或停止旋轉(zhuǎn)探測，可以360°無死角反饋周圍環(huán)境情況，可拋擲，但是球體本身不能移動，限制了情報搜集區(qū)域。

球形機器人則一般指將運動機構(gòu)、傳感器、控制器等內(nèi)置于一個球殼內(nèi)部、 利用球殼作為滾動行走裝置的移動機器人[2]。 該類機器人具有良好的密封性，平衡性強且運動靈活性高，不存在側(cè)翻問題，因此球形機器人在星球探索、 危險環(huán)境探測等領(lǐng)域具有較大優(yōu)勢和廣泛應(yīng)用前景[3]。 國外對球形機器人的研究早在20 世紀90 年代就開始了，美國、俄羅斯等國均有較成熟產(chǎn)品，例如美國的Guard-Bot 水陸兩棲球形機器人，俄羅斯研發(fā)的Sphera 球形機器人等。 國內(nèi)對球形機器人的研究起步于21 世紀初，主要以高校理論科研為主， 例如北京航空航天大學研究出了BHQ 系列球形機器人。由于球形機器人一般尺寸較大，不便于拋擲和隱蔽偵察，日本研發(fā)了手投式偵察機器人，為一個11cm 大小的球體，重670g。在投入指定地點后會“變形”，前后兩端突出成為兩個“輪子”，可自由移動并對活動區(qū)域進行全方位拍攝。但是變形的可靠性不能保證，變形后無球體優(yōu)勢，且該球體電池驅(qū)動的使用時間僅為20至30min。

針對國外偵察球或球形機器人產(chǎn)品價格高昂， 訓練和后期支持要求較高， 而國內(nèi)研究設(shè)計的球形機器人體積大，可靠性不高，且尚未形成成熟產(chǎn)品的情況下，本文結(jié)合偵察球和球形機器人特點，設(shè)計了一種體積小、成本低、 可行走且具有穩(wěn)定平臺的新型微小球形移動偵察載荷機構(gòu)。

1 球形偵察載荷機構(gòu)

球形偵察載荷機構(gòu)包含中間滾動輪和兩側(cè)穩(wěn)定部分，外觀如圖1 所示。為了便于攜帶，且具有較好隱蔽性，球體外徑小于100mm。 觀測相機像兩只眼睛安裝于兩側(cè)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的中上側(cè)， 使得相機在球體滾動過程中不隨滾動輪的滾動而滾動， 且保持較好和較廣視角。 如需投擲，則可以在滾動輪，球殼外部分別固定上一定厚度的緩沖橡膠。

球形偵察載荷機構(gòu)內(nèi)部布局設(shè)計如圖2 所示。球內(nèi)主要包括相互垂直的兩個直流電機3 和12，左右兩側(cè)上方相機4， 以及兩側(cè)分別布置的無線控制通訊板1 和電源14。 為了保證滾動輪7 和其它部件的相對運動，機構(gòu)中設(shè)置有一對軸承5 及連接件6。 行走主動輪11和轉(zhuǎn)向輪盤13 分別與行走電機3、轉(zhuǎn)向電機12 伸出轉(zhuǎn)動軸直接緊固連接。 兩轉(zhuǎn)動電機分別通過連接板與兩側(cè)固定盤固定。 橡膠圈8 緊貼滾動輪內(nèi)側(cè)且與行走主動輪11內(nèi)切。 線夾10 則是為了保證球內(nèi)電源、電機和通訊板連線不影響滾動且整潔而設(shè)計。

圖1 球形偵察載荷機構(gòu)外觀圖

圖2 球形偵察載荷機構(gòu)內(nèi)部布局設(shè)計示意圖

2 直線行走及轉(zhuǎn)動可行性分析

2.1 直線行走可行性分析

本設(shè)計球形偵察載荷機構(gòu)運動主要包括直線行走和轉(zhuǎn)向運動。 其中直線行走由行走電機驅(qū)動行走主動輪轉(zhuǎn)動，設(shè)轉(zhuǎn)速為ω，由于行走主動輪與滾動輪內(nèi)表面橡膠摩擦傳動，從而驅(qū)動滾動輪也以轉(zhuǎn)速ω 滾動，實現(xiàn)整個球體的直線行走，如圖3 所示。

摩擦輪傳動是利用兩輪直接接觸所產(chǎn)生的摩擦力來傳遞運動和動力的一種機械傳動。 只要兩輪接觸產(chǎn)生的摩擦力，使主動輪產(chǎn)生的摩擦力矩能克服從動輪上產(chǎn)生的阻力矩，就能保證傳動的正常進行。 例如摩擦壓力機、摩擦離合器等許多常見傳動機構(gòu)均是利用摩擦輪傳動原理。 因此，利用摩擦輪傳動實現(xiàn)球形偵察載荷機構(gòu)直線行走是可行的。

圖3 球形偵察載荷機構(gòu)直線行走示意圖

2.2 轉(zhuǎn)動可行性分析

球形偵察載荷機構(gòu)轉(zhuǎn)向運動則根據(jù)角動量守恒定律，當轉(zhuǎn)向電機驅(qū)動轉(zhuǎn)向輪盤轉(zhuǎn)動，且轉(zhuǎn)向輪盤的轉(zhuǎn)動力矩足夠大時，整個球體會產(chǎn)生與轉(zhuǎn)向輪盤轉(zhuǎn)動方向相反的轉(zhuǎn)向運動，從而實現(xiàn)整個球形偵察載荷機構(gòu)的轉(zhuǎn)向。 早在2006年，西安電子科技大學李團結(jié)教授提出的一種具有穩(wěn)定平臺可全向滾動的球形機器人[4]即是運用角動量守恒原理實現(xiàn)球體的全向運動，并進行了運動學分析和仿真。

角動量守恒定律是物理學的普遍定律之一， 反映質(zhì)點和質(zhì)點系圍繞一點或一軸運動的普遍規(guī)律， 即對一固定點o，質(zhì)點所受的合外力矩為零，則此質(zhì)點的角動量矢量保持不變。 可描述為，質(zhì)點對固定點的角動量對時間的微商，等于作用于該質(zhì)點上的力對該點的力矩。

如圖4 球形偵察載荷機構(gòu)轉(zhuǎn)動模型， 對于原地轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)軸與豎直軸重合，使得轉(zhuǎn)動與滾動運動相對獨立。其中轉(zhuǎn)向輪盤在轉(zhuǎn)向電機的帶動下轉(zhuǎn)動， 設(shè)角加速度為φ··，轉(zhuǎn)動慣量為JB；球體角加速度為Ω··，轉(zhuǎn)動慣量為JA； 地面給球體的阻力矩為Mμ[5]。

對于Z 軸， 力矩守恒方程為：

圖4 球形偵察載荷機構(gòu)轉(zhuǎn)動模型

即轉(zhuǎn)向輪盤的轉(zhuǎn)動慣量與角加速度的乘積等于球體的轉(zhuǎn)動慣量和其角加速度乘積克服地面給球體的阻力矩值。 當轉(zhuǎn)向輪盤以加速度φ··順時針加速轉(zhuǎn)動時，設(shè)φ··值為正，則球體角加速度Ω··應(yīng)當為負值。

當JBφ··

其中地面給球體的阻力矩與地面粗糙度和球體質(zhì)量均有關(guān)，球體質(zhì)量越大，則阻力矩會越大，所以在滿足需求的情況下，載荷應(yīng)質(zhì)量輕而小?，F(xiàn)有設(shè)計中，球殼、行走主動輪、連接板材質(zhì)均選擇輕型鋁合金，連接板選擇塑料材質(zhì)，JA=855kg·mm2；反之，轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動慣量JB應(yīng)該盡量大，所以在空間允許情況下，輪盤直徑盡量大，材質(zhì)選用鋼材，JB=11.5 kg·mm2。

3 運動試驗驗證

3.1 驗證模型設(shè)計及制作

為了驗證設(shè)計的可行性， 本文依據(jù)圖4 球形偵察載荷機構(gòu)轉(zhuǎn)動模型設(shè)計了球形偵察載荷驗證結(jié)構(gòu)并制作了樣品對轉(zhuǎn)向運動可行性進行驗證，制作實物如圖5 所示。

如圖5 所示，中間為球體，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)依據(jù)圖4 球形偵察載荷機構(gòu)轉(zhuǎn)動模型制作， 左側(cè)為12V 電池， 重量約72g；右側(cè)為電機調(diào)速板，重量約66g；為了保證球體的重心與中心線重合，需在電機調(diào)速板側(cè)增加質(zhì)量塊，同時調(diào)整至合理位置。軸承內(nèi)圈固定件及線夾均采用3D 打印塑料件， 以減輕球體重量，使得球體的轉(zhuǎn)動慣量盡量小。

圖5 球形偵察載荷機構(gòu)運動驗證實物圖

3.2 驗證試驗及結(jié)論

結(jié)構(gòu)安裝完好后，將電源、電機調(diào)速板、轉(zhuǎn)向電機線路分別連接好，并固定于結(jié)構(gòu)中，放置光滑平面，其中電機為12V 直流減速電機GA12-N20，轉(zhuǎn)速為300r/min。

首先將電機調(diào)速板中電機轉(zhuǎn)速調(diào)至最小， 然后接通電源，旋轉(zhuǎn)電機調(diào)速旋鈕，實現(xiàn)電機逐步順時針加速至最大后穩(wěn)定， 可以明顯看到球體會在電機加速過程中持續(xù)逆時針轉(zhuǎn)向，當電機速度穩(wěn)定，球體會在阻力矩作用下靜止，試驗證明了機構(gòu)轉(zhuǎn)向運動的可行性。

分別選擇12V 直流減速電機GA12-N20， 轉(zhuǎn)速為500r/min 和轉(zhuǎn)速為1000r/min 規(guī)格電機接入試驗結(jié)構(gòu)中進行對比試驗。 隨著電機轉(zhuǎn)速增大，加速時間越長，球體轉(zhuǎn)向角度也越大，試驗人工測量值如表1 所述。

表1 轉(zhuǎn)向試驗值

綜合表1 數(shù)值，進一步證明，在同等實驗條件下，球體結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)角與加速度時間和加速度大小有關(guān)系， 電機加速度越大或者加速時間越長， 均可以增大球體結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)角。

4 結(jié)束語

本文通過分析及試驗驗證， 證明了具有穩(wěn)定平臺的微小型移動球形偵察載荷機構(gòu)設(shè)計的可行性。 通過控制球內(nèi)兩個電機的轉(zhuǎn)速可以實現(xiàn)球體不同的運動軌跡，且在球體運動過程中， 滾動輪兩側(cè)結(jié)構(gòu)始終保持穩(wěn)定的狀態(tài)，而不是隨球體一起滾動。 所以，本文設(shè)計的具有穩(wěn)定平臺的微小型移動球形偵察載荷機構(gòu)，具有微小輕便，結(jié)構(gòu)簡單，能搭載各種傳感儀器設(shè)備，可作為偵察或探測裝置，在軍事、工業(yè)和民用方面具有廣闊的發(fā)展前途和應(yīng)用前景。