球形机器人
文摘:提出了一种新型球形机器人驱动器。机构，的机构可以实现对重心的三坐标控制。研究了系统的运动学建模方法机构重心控制的运动学模型为球形机器人进一步的轨迹控制提供了理论基础。
关键词:球形机器人运动学建模
简介:
在传统的设计制造过程中，先进行概念设计和方案论证，再进行产品设计。设计完成后，为了验证设计，通常需要制作样机进行实验，有时这些实验甚至是破坏性的。当通过实验发现缺陷时，应该修改设计并通过原型进行验证。只有通过反复的设计-测试-设计过程，产品才能达到要求的性能。这个过程是漫长的，尤其是结构复杂的系统，设计周期无法缩短，更谈不上对市场的灵活反应；同时，样机的单机制造增加了成本。在大多数情况下，工程师中断这一过程是为了确保产品按时投放市场， 这使得产品在投放市场时存在先天缺陷。在竞争激烈的市场背景下，基于物理样机的设计验证过程严重制约了产品质量的提高、成本的降低和市场份额的扩大。
球形机器人是一种新型机器人。目前，对它的研究主要集中在驱动装置和控制策略的设计上。在驱动装置的设计上，研究人员提出了各种驱动形式，但对非完整系统控制问题的研究已经从最初阶段的运动学控制发展到现阶段的动力学控制。就运动学控制而言，控制量是广义速度，用矩阵零空间中的基表示的系数在一定程度上反映了约束广义速度的独立部分，但其物理意义不如广义速度，实现起来也比较困难。因此，有必要将球形机器人作为典型的非完整系统来研究其动力学控制。
动态模型。
1.介绍
球形机器人是指球形移动机器人，是指一种执行运动的机器人。机构传感器、控制器和能量装置安装在球形壳体内。体内系统的总称。由于这种机器人动静平衡好，密封性好，可以在无人、灰尘、潮湿、腐蚀的恶劣环境中行进，具有两栖功能。可用于行星探测、环境监测、国防装备、娱乐等领域。
本文在分析和研究球形机器人各种驱动方案的基础上，提出了一种新的驱动方案。该方案利用DC电机驱动的四个偏心块的旋转运动来驱动球形机器人按照设定的轨迹平行移动。该方案结构简单，占用空间小，正好克服了球形机器人的上述缺点。本文将着重研究这种新型球形机器人的运动学建模方法，并给出其运动学模型，为球形机器人的进一步轨迹控制提供理论依据。
2.机构设计
外圈I与球形机器人(SR)的外壳之间有轴承连接，两者之间的相对转动可以固定在球形机器人的外壳上。
平台上的步进电机可以直接驱动，如果要保证自锁，可以附加一个蜗轮蜗杆装置。它们之间的相对旋转角度用α表示。三个可旋转的小齿轮沿圆周方向固定在外圈I上，其中一个由步进电机驱动，也可以附加蜗轮以保证自锁；另外两个是从动齿轮。与三个小齿轮啮合的是一个有偏心质量的内圈，其相对于外圈的旋转角度为β。当取(α，β)的不同组合时，偏心质量(如果视为质点)可以到达球形机器人壳体内球面上的任意位置，所以由于偏心质量和重力的作用，球形机器人在稳定时可以在壳体的任意一点接触地面，并且可以一直向任意方向滚动。因此， 只要找到α和β之间正确的函数关系，加上合理的控制算法，球形机器人应该可以按照预定的轨迹滚动。
该机器人由四个电机组成，每个电机都有一个偏心重量，以空间对称的方式安装在球形外壳中。它由一个球壳P、四个驱动电机D A、D B、D C和d D以及四个偏心块M a、M b、M c和M D组成..四个电机分别安装在球壳内壁上的A、B、C、D四个点上，正好形成球壳的内接正四面体。每个电机的转轴指向球心o。偏心块与电机的转轴连接。这样，当四个电机带动四个偏心块转动时，球形机器人系统的重心就会相应地发生变化，从而使球形机器人在四个偏心块的平行驱动下沿着一定的轨迹运动。注:球壳质量为m(忽略电机质量)；偏心块的质量是m A，m B， 分别是m C和m d；偏心块铰接点到球心的距离为l；偏心率是r。
图1球形机器人示意图
这种球形机器人机构的自由度计算如下:
11
六
m X
我知道
国际j
F n p q R
==
= -
∑∑∑
(1)
其中:n指可移动构件的总数；
P i，m——第I个运动副的约束条件数和运动副总数；
Q j，x-第j个原动机的驱动约束数和原动机总数；
其他约束的数量。
系统中有效部件的总数n是5，运动的副一般约束是:
五
一个