一种球形载人娱乐车*

□ 李 鹏 □ 陈永当 □ 金 京 □ 黄国建 □ 王俊峰

西安工程大学 机电工程学院 西安 710048

人类已开发出各种运载器具，如地面上运行的车辆，水面上行驶的船舶，这些器具都有一定的缺陷，如在运行时会出现倾覆现象，对崎岖不平的路面适应性差，不能实现没有转弯半径的方向变化，在与外界物体碰撞或急刹时，所载人或物可能发生由于惯性力而造成的硬伤害。因此，人们一直在探索一种能克服以上缺点的运载器具。

球形运载器是一种点接触的新型载具，能够较好克服传统载具的缺点。现有球形载具虽方案多样，但大都存在着结构复杂、工程实现较难、实用性较低、球体质心较高使爬坡和越障能力不足等问题。有的不能改变球形装置的运动方向，有的虽能改变运动方向，但要求两电机必须分别克服球壳的转动惯量和重物的转动惯量，因而对电机力矩的要求较高，能耗高。现有的球形机器人只具备运动能力，而没有对外操作能力［1］，基本上不具备负重载人的功能，实用性较差，在很大程度上限制了该类运载器具的推广应用。

本设计旨在克服上述缺点，开发一种结构简单、操作方便、具有负重载人功能、充满休闲娱乐趣味、实用价值强的球形娱乐车，与常见的轮式、履带式和腿式球形车相比，球形娱乐车的最大特点是其特殊的外形和运动方式，球形外壳使其自身在失稳后能经过短暂的调整迅速恢复到稳定状态，因此不怕翻车［2］。

1 总体结构设计

该娱乐车主要包括球形外壳、驱动装置和转向装置，总体结构如图1所示。操作者坐在座位上，通过操作控制手柄实现球体的运动及制动，通过操作转向手柄控制球体的运行方向。球壳采用亚克力材料制作，具有较高的透光度、良好的抗冲击性和一定的弹性，既美观又安全。

驱动部分由直流电机、同步带传动机构及与球壳内壁接触的驱动轮组成，电机带动传动机构，使驱动轮相对球壳转动，利用反向力矩使球壳直线滚动。转向装置主要由重力小车、方向盘、弧形轨道组成，方向盘与重力小车用链条连接。行驶中，驾驶者通过对方向盘的操控使重力小车左右移动，使其质心在其球壳内偏移，从而实现球体在前行过程中的左右转向，支架采用轻质的铝合金材料制作。

1.1 球壳设计

球形外壳由球壳、关节轴承、套杆组成，如图2、图3所示。外壳用亚克力材料，采用吹塑成型工艺制成，将两个半球用高性能粘胶剂粘接而成。为了便于人进出，在图2所示右侧开一个方形的侧门。整个球壳以合缝线为中心，与地面滚动接触，为保证球壳与地面的接触强度，侧门离合缝线要有一定的安全距离，应在不小于10 cm处开设。当驱动轮转动时，在反向力矩的作用下，球壳会在总体部件质心偏移的情况下绕关节轴承转动，从而将内部的驱动转为外部的转动。

▲图1 娱乐车总体结构示意图

▲图2 球壳

▲图3 关节轴承与套杆

▲图4 底架及驱动电机

▲图5 弧形同步齿形带轨道

▲图6 控制手柄

▲图7 链传动支架

为了确保驱动轮与球壳内壁始终保持无干涉的高副接触，采用关节轴承与伸缩套杆组合结构，构成了全方位的游动、悬挂支承，以降低制造装配的尺寸精度。关节轴承一端与球壳通过螺纹连接，另一端通过套杆与内部底座连接。球壳质量约为79.4 kg，设计承载能力为60 kg，整个娱乐车的质量约为165 kg，为增加球壳内壁的支撑强度，在球壳内壁与关节轴承连接处有两个圆柱面，粘贴在球壳内壁上，提高安全性。

1.2 驱动设计

驱动装置由电机、底架、驱动轮、弧形同步齿形带轨道等部分组成，如图4、图5所示。选用120 W的直流电机，当电机工作时，通过带传动带动驱动轮转动，致使驱动部分沿球壳内壁向前滚动，整体质心向前偏移，从而达到使球壳向前转动的目的。

采用电池作为电机的电源，球壳的转速是由驾驶者通过操作手柄调节电机的转速控制，类似于电动摩托车。底盘由铝合金材料制成，底盘的前后有两个弧形轨道，在弧形轨道上安放同步齿形带，通过改装同步齿形带，使传动更精确，有效防止了其上座椅部分的前后摆动。中间的一对弧形轨道，主要用于防止座椅左右滑动时冲出底座。

采用柔性部件组合，使整个装置约束严密却又不失灵活，球形娱乐车平面运动系统为一个欠驱动系统，也是一个非完整系统［3］。底座的高度比球心的高度低，因此运动时不会翻车，本作品是类似不倒翁的移动载体［4］。

1.3 转向原理

转向装置由控制手柄、带轮、链轮和链条等零部件组成，

如图6、图7所示。当转动控制手柄右半部分时，电机通电启动，实现驱动轮的转动，从而控制整个装置的前进和后退。当左右转动控制手柄时，在扭转力矩的作用下，带动链传动支架上（图7）的链轮转动，在链传动支架上布置有链条，通过链条带动底座上的链轮转动，链轮固定在一根轴上，底座前后弧形轨道各有一个同步齿形带，同步带轮在带上转动，通过这根轴使两带轮作同步运动。

通过小车左右移动改变座椅及人的质心，进而改变球体质心的位置［5］，实现球壳转向。球壳转弯半径的大小是由小车左右移动量的大小来控制，由于内部质心略有偏移，球壳就会顺势偏转，因此转弯半径非常小，操作起来十分灵活。

2 总结

2.1 主要创新点

（1）球形娱乐车的质心始终低于球体中心，从而使其内部的机座始终处于稳定平衡状态，因此在复杂运动状态下都不会翻车。

（2）外形是一个球形的壳体，与地面及外界物体始终为点接触，从而使其在转向时转弯半径非常小（小于球壳直径），摩擦阻力小，能耗低，环保节能，并且与外界物体碰撞时的抗冲击性和安全性极高。

（3）球壳与车身之间，通过关节轴承与轴套的巧妙组合，构成了全方位的游动、悬挂支承，以确保驱动轮与球壳接触同时具有很强的自适应调整性能。

2.2 应用推广

本作品变传统的平面运动为滚动，将难以控制的球形运动变得简单、可靠、安全，尤其在大直径、载人负重及实用性方面的独特设计，使其具有良好的推广应用价值。目前是针对儿童开发的一款娱乐车，突出趣味性、安全性和可操控性，强调的是新概念、新感觉。但它更具有极强的二次开发性，根据需要完全可制成有人、无人控制；机控、电控；水、陆两栖；运载、探测；平时、战时等各种装置，应用前景十分广阔。

［1］ 孙汉旭，郑一力，贾庆轩，等.带可伸缩操作臂的球形机器人的研制［J］.机器人，2009，31（5）:404-409.

［2］ 董荣俊.一种新型球形机器人的设计与实现［D］.南京：南京航空航天大学，2009.

［3］ 肖爱平，孙汉旭，廖启征，等.一种球形机器人的运动特性分析［J］.机电产品开发与创新，2005，18（1）:1-4.

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［5］ 李鑫勇，王彪，郝少楠.电磁驱动结构的球形机器人研究［J］.机械设计与制造，2010（5）:169-170.

［6］ 孙琪，张越.基于ADAMS的某球形机器人运动分析［J］.科学技术与工程，2010，10（15）:3599-3601.

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