一种微小球形移动侦察载荷机构设计研究

蒋桂林， 邱鹏展， 何科延

（1.国防科技大学智能科学学院， 湖南 长沙 410005； 2.陆军装备部综合计划局， 北京100072）

0 引言

侦察球也被称为“监视球”，外形呈球状，大小一般和一枚手雷相近，可以随身携带，其内一般装有传感器、无线通信设备、电池等。 使用时将其直接投掷到目的地，由传感器采集周围的信息， 然后由无线通信设备将这些信息传送出来至便携式显控接收装置， 借此了解遮挡建筑物内、危险空间，甚至黑暗环境等不宜亲自直接进入场所内的情况。 因此，侦察球也称为士兵“第三只眼”[1]。 以色列ODF 光学有限公司专门面向军事和安全部门开发的“Eye Ball”，则是一款典型侦察球产品。 球体重仅0.57kg，大小如同一个网球， 可以任意角度将其投掷， 球体稳定后，相机以4 转/分的速度旋转或停止旋转探测，可以360°无死角反馈周围环境情况，可抛掷，但是球体本身不能移动，限制了情报搜集区域。

球形机器人则一般指将运动机构、传感器、控制器等内置于一个球壳内部、 利用球壳作为滚动行走装置的移动机器人[2]。 该类机器人具有良好的密封性，平衡性强且运动灵活性高，不存在侧翻问题，因此球形机器人在星球探索、 危险环境探测等领域具有较大优势和广泛应用前景[3]。 国外对球形机器人的研究早在20 世纪90 年代就开始了，美国、俄罗斯等国均有较成熟产品，例如美国的Guard-Bot 水陆两栖球形机器人，俄罗斯研发的Sphera 球形机器人等。 国内对球形机器人的研究起步于21 世纪初，主要以高校理论科研为主， 例如北京航空航天大学研究出了BHQ 系列球形机器人。由于球形机器人一般尺寸较大，不便于抛掷和隐蔽侦察，日本研发了手投式侦察机器人，为一个11cm 大小的球体，重670g。在投入指定地点后会“变形”，前后两端突出成为两个“轮子”，可自由移动并对活动区域进行全方位拍摄。但是变形的可靠性不能保证，变形后无球体优势，且该球体电池驱动的使用时间仅为20至30min。

针对国外侦察球或球形机器人产品价格高昂， 训练和后期支持要求较高， 而国内研究设计的球形机器人体积大，可靠性不高，且尚未形成成熟产品的情况下，本文结合侦察球和球形机器人特点，设计了一种体积小、成本低、 可行走且具有稳定平台的新型微小球形移动侦察载荷机构。

1 球形侦察载荷机构

球形侦察载荷机构包含中间滚动轮和两侧稳定部分，外观如图1 所示。为了便于携带，且具有较好隐蔽性，球体外径小于100mm。 观测相机像两只眼睛安装于两侧稳定结构的中上侧， 使得相机在球体滚动过程中不随滚动轮的滚动而滚动， 且保持较好和较广视角。 如需投掷，则可以在滚动轮，球壳外部分别固定上一定厚度的缓冲橡胶。

球形侦察载荷机构内部布局设计如图2 所示。球内主要包括相互垂直的两个直流电机3 和12，左右两侧上方相机4， 以及两侧分别布置的无线控制通讯板1 和电源14。 为了保证滚动轮7 和其它部件的相对运动，机构中设置有一对轴承5 及连接件6。 行走主动轮11和转向轮盘13 分别与行走电机3、转向电机12 伸出转动轴直接紧固连接。 两转动电机分别通过连接板与两侧固定盘固定。 橡胶圈8 紧贴滚动轮内侧且与行走主动轮11内切。 线夹10 则是为了保证球内电源、电机和通讯板连线不影响滚动且整洁而设计。

图1 球形侦察载荷机构外观图

图2 球形侦察载荷机构内部布局设计示意图

2 直线行走及转动可行性分析

2.1 直线行走可行性分析

本设计球形侦察载荷机构运动主要包括直线行走和转向运动。 其中直线行走由行走电机驱动行走主动轮转动，设转速为ω，由于行走主动轮与滚动轮内表面橡胶摩擦传动，从而驱动滚动轮也以转速ω 滚动，实现整个球体的直线行走，如图3 所示。

摩擦轮传动是利用两轮直接接触所产生的摩擦力来传递运动和动力的一种机械传动。 只要两轮接触产生的摩擦力，使主动轮产生的摩擦力矩能克服从动轮上产生的阻力矩，就能保证传动的正常进行。 例如摩擦压力机、摩擦离合器等许多常见传动机构均是利用摩擦轮传动原理。 因此，利用摩擦轮传动实现球形侦察载荷机构直线行走是可行的。

图3 球形侦察载荷机构直线行走示意图

2.2 转动可行性分析

球形侦察载荷机构转向运动则根据角动量守恒定律，当转向电机驱动转向轮盘转动，且转向轮盘的转动力矩足够大时，整个球体会产生与转向轮盘转动方向相反的转向运动，从而实现整个球形侦察载荷机构的转向。 早在2006年，西安电子科技大学李团结教授提出的一种具有稳定平台可全向滚动的球形机器人[4]即是运用角动量守恒原理实现球体的全向运动，并进行了运动学分析和仿真。

角动量守恒定律是物理学的普遍定律之一， 反映质点和质点系围绕一点或一轴运动的普遍规律， 即对一固定点o，质点所受的合外力矩为零，则此质点的角动量矢量保持不变。 可描述为，质点对固定点的角动量对时间的微商，等于作用于该质点上的力对该点的力矩。

如图4 球形侦察载荷机构转动模型， 对于原地转动时，转轴与竖直轴重合，使得转动与滚动运动相对独立。其中转向轮盘在转向电机的带动下转动， 设角加速度为φ··，转动惯量为JB；球体角加速度为Ω··，转动惯量为JA； 地面给球体的阻力矩为Mμ[5]。

对于Z 轴， 力矩守恒方程为：

图4 球形侦察载荷机构转动模型

即转向轮盘的转动惯量与角加速度的乘积等于球体的转动惯量和其角加速度乘积克服地面给球体的阻力矩值。 当转向轮盘以加速度φ··顺时针加速转动时，设φ··值为正，则球体角加速度Ω··应当为负值。

当JBφ··

其中地面给球体的阻力矩与地面粗糙度和球体质量均有关，球体质量越大，则阻力矩会越大，所以在满足需求的情况下，载荷应质量轻而小。现有设计中，球壳、行走主动轮、连接板材质均选择轻型铝合金，连接板选择塑料材质，JA=855kg·mm2；反之，转盘的转动惯量JB应该尽量大，所以在空间允许情况下，轮盘直径尽量大，材质选用钢材，JB=11.5 kg·mm2。

3 运动试验验证

3.1 验证模型设计及制作

为了验证设计的可行性， 本文依据图4 球形侦察载荷机构转动模型设计了球形侦察载荷验证结构并制作了样品对转向运动可行性进行验证，制作实物如图5 所示。

如图5 所示，中间为球体，其内部结构依据图4 球形侦察载荷机构转动模型制作， 左侧为12V 电池， 重量约72g；右侧为电机调速板，重量约66g；为了保证球体的重心与中心线重合，需在电机调速板侧增加质量块，同时调整至合理位置。轴承内圈固定件及线夹均采用3D 打印塑料件， 以减轻球体重量，使得球体的转动惯量尽量小。

图5 球形侦察载荷机构运动验证实物图

3.2 验证试验及结论

结构安装完好后，将电源、电机调速板、转向电机线路分别连接好，并固定于结构中，放置光滑平面，其中电机为12V 直流减速电机GA12-N20，转速为300r/min。

首先将电机调速板中电机转速调至最小， 然后接通电源，旋转电机调速旋钮，实现电机逐步顺时针加速至最大后稳定， 可以明显看到球体会在电机加速过程中持续逆时针转向，当电机速度稳定，球体会在阻力矩作用下静止，试验证明了机构转向运动的可行性。

分别选择12V 直流减速电机GA12-N20， 转速为500r/min 和转速为1000r/min 规格电机接入试验结构中进行对比试验。 随着电机转速增大，加速时间越长，球体转向角度也越大，试验人工测量值如表1 所述。

表1 转向试验值

综合表1 数值，进一步证明，在同等实验条件下，球体结构偏转角与加速度时间和加速度大小有关系， 电机加速度越大或者加速时间越长， 均可以增大球体结构偏转角。

4 结束语

本文通过分析及试验验证， 证明了具有稳定平台的微小型移动球形侦察载荷机构设计的可行性。 通过控制球内两个电机的转速可以实现球体不同的运动轨迹，且在球体运动过程中， 滚动轮两侧结构始终保持稳定的状态，而不是随球体一起滚动。 所以，本文设计的具有稳定平台的微小型移动球形侦察载荷机构，具有微小轻便，结构简单，能搭载各种传感仪器设备，可作为侦察或探测装置，在军事、工业和民用方面具有广阔的发展前途和应用前景。