一、作品介绍

随着近年来智能技术的发展，机器人已经逐渐走进人们的生活。同时，伴随着我国人口的老龄化程度的加重，生活水平的进一步提高和技术的发展，机器人在家庭服务、家庭养老、助残、医疗等领域所发挥的作用将会越来越大。服务机器人在上述领域的市场需求也将逐渐增加。

然而现有的服务类机器人，大都采用双轮差速的移动方式，身躯庞大，转向动作幅度大，转弯效率低，对运动空间有一定要求，能够在酒店大堂、餐厅这种较为开阔的场地工作，但无法在狭小复杂的空间中可靠地使用，例如像普通家庭、养老院、医院病房等这类较为复杂的工作环境。

正是在这种背景下，我们团队大胆创新，设计出了“球形轮自主导航机器人平台”（以下均简称为“该机器人”），旨在开发出一款适应复杂地形（如家庭环境），精度较高，较为可靠，成本较低的服务机器人平台。该机器人采用“球形轮”代替现在普遍采用的轮式轮胎，并结合“二维激光雷达的SLAM算法”，进行实时地图构建，可实现室内的高精度自主定位与导航，全向移动。设计新颖独特，稳定性强，灵活优雅，对复杂环境的适应力更强。

如前所述，该机器人采用平台化设计，未来可以广泛应用于家庭服务，家庭教育，医疗，养老等领域。同时平台的所有技术资料开源，可作为机器人技术学习的套件（如turtulbot），也可供第三方研发，具有较好的市场前景。

二 产品亮点

（1）颠覆传统 全向移动

方案灵感来源于GOODYEAR轮胎橡胶公司在去年日内瓦车展上发布的一款球形轮胎，其目的是基于磁悬浮技术代替现在车辆上的轮形轮胎，实现车辆零半径转弯以及全方位移动。基于球形轮的自主导航机器人的优点是可进行全向移动，颠覆传统机器人的移动方式，使用球体代替现有机器人的轮式轮胎，使机器人能够全向移动，灵活优雅，对复杂环境的适应力更强。

（2）自主导航 自主定位

采用当今比较热门的自主导航技术，可在无GPS信号的情况下在密闭空间内进行实时地图构建，自主定位与导航。实现方式可采用功耗低，效率高，成本低的激光雷达。

（3）抗干扰能力强 能够适应不同路况

设计方案对机器人的移动采用PID闭环调速算法，能够精确地控制机器人的移动方向和移动速度，尤其在不同路面情况下（如上坡下坡等情况）都具有很强的抗干扰能力，以控制速度能够快速达到理想稳定的状态。

（4）平台市场价值巨大

综合以上创新点及优势，球形轮胎机器人平台的市场应用前景十分宽广，基于球形轮胎机器人平台可以改装制造自动导航无人驾驶送货车辆，或狭小办公室区域运送文档快递的机器人，对复杂地形及危险环境（如有毒气体或核污染的空间）的无人操控探索机器人，具体市场应用我们将在后文给予详细介绍。

三、工作方式及技术参数

目前我们已经制作完成了第一代样机（如下图所示），预期功能基本实现，该机器人可以实现室内自主导航，也可以通过蓝牙连接手机进行控制，人机交互功能较为强大。

机器人实物图

扫描获得实验室地图

手机控制APP界面

技术指标

整机尺寸：280mm×280mm×395mm

电池型号：25.2V 3300MAH可充电锂电池

最大工作时间：4小时

激光雷达参数

最大扫描半径：6m

角分辨率：0.9度

扫描频率：4000次/秒

五、研发团队

赵健壮，郑州大学机械工程学院2014级本科生，团队项目负责人，机械结构设计；

田源，郑州大学电气工程学院2014级本科生，上位机视觉部分；

李磊，郑州大学电气工程学院2014级本科生，PCB加工；

曹朝阳，郑州大学信息工程学院2015级本科生，硬件程序设计及调试；

李代栋，郑州大学信息工程学院2014级本科生，硬件程序设计及调试；

5.所获成果

申请实用新型和发明专利个一项《一种球形轮导航机器人》，初步审查通过；

2017年丝绸之路机器人创意大赛一等奖

中国大学生机械工程创新创业大赛（“卓然杯”第八届过程装备创新实践大赛）一等奖。