全方位球形机器人的研究.doc

北京邮电大学硕士学位论文全方位球形机器人的研究姓名：付清岭申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：孙汉旭20030501北京邮电大学硕士研究生学位论文，一，；，一，：第一章绪论北京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论本章在大量查阅国内外相关文献，并广泛调研的基础上，阐述了机器人的发展概况，特别是国内外有关球形机器人的研究工作。在此基础上，叙述了全方位球形机器人的研究内容，并概括了本论文的主要工作。引言人类在研究客观世界的同时，也在加速对于自身的研究，诸如：生物工程、遗传工程、人造心脏、人工智能、专家系统、语音识别等。而机器人正是人类幻想已久的与自身功能相似的机器和装置。有关机器人的发明可以追忆到远古时代，我国早在西周时期，就有一名巧匠偃师，做过一个“千变万化，惟意所适”的机器人。还有两千多年前的指南车，公元，百年间出现的“木僧”、“酒山”等等都可以说是具有某些功能的机器人。而在我国民间流传甚广的三国诸葛亮制作的木牛马车，更是一种栩栩如生的移动机器人。也就是晓，在人类探究机器人的漫长历史中，我国曾经为机器人的发展作出过卓越的贡献。当然，世界上其他国家的许多杰出人才同样曾经为机器人的发展起到过不可替代的作用，比如瑞士钟表匠德罗斯父子旱在公元年问设计制造出三个类人型机器人一一写字偶人、绘图偶人和弹琴偶人。特别是近代以来，随着科学技术的飞速发展，机器人也日新月异，正以着前所未有的惊人速度向前发展。经过漫长的探索和实践，人类在世纪年代发明了机器人技术。在短短的年罩，机器人已经取得了长足进步。例如，工业机器人经历了诞生成长一一成熟期后，已成为制造业中不可少的核心装备；而特种机器人作为机器人家族的后起之秀，由于其用途广泛而有后来居上之势，象仿人形机器人、农业机器人、服务机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、娱乐机器人等纷纷面世，而且都正以飞快的速度向实用化迈进。经过长期的实践，在实现相同或相近功能的前提下，人类已经发明了形状各异的机器人以适应于不同的应用领域。但就行走机器人来说，人类目前已经开发了两种类型的行走机器人，即用轮子滚动行走的轮式机器人和用足行走的步行式机器人。轮式机器人得到了广泛的应用，特别是在太空勘探方面，例如前苏联的轮式月球探测机器人，美国的邯可波罗“月球车等都是用轮子行走的探测车。其中轮式机器人具有快速行走和大的承载能力等优点，但其稳定性与路面的平整度有很大关系，如果路面高低不平，机器人本体就容易翻倒。为了增加稳定性就要增加轮子的数量，目前已经开发了带有，或更多轮子的轮式机器人，并在设计中使车的重心尽可能的降低。但由于轮子数目多，所以轮子不能设计的足够筇一章绪沦北京邮电大学硕士研究生学位论文大，这样其越野能力就受到了限制。用足行走的步行机器人是另一种可以在没有道路的野外行走的智能机器。在国内外，己研制出了二足、四足、六足、八足行走机器人样机。用足行走的步行机器人可像人或动物那样在崎岖不平的地面上行走，但缺点是机器人自由度多，控制复杂，而且行走速度低，承载能力差。基于目前这种情况，设计种行走机器人，使它既能像轮式机器人一样具有快速行走和大的承载能力等优点，又能像步行机器人一样适应在崎岖不平的地面上行走，这将是一种很理想的行走机器人，如果开发成功，定能在实际中得到广泛的应用。球形机器人就是应这一目的丽设计出的一种新型行走机器人。它具有高速、稳定、大承载能力、路面适应性强等特点，同时还具有结构简单，控制方便，驱动机构少等特点，故其体积也很小。所以球形机器人是一个非常有意义的研究方向。球形机器人的优点及应用前景与传统的机器人相比，球形机器人在结构、性能及应用方面有许多突出的优点，主要表现在以下几方面。在系统结构方面：）球形机器人整体结构非常简单，仅由球形外壳和内部驱动装置构成，基本没有繁杂的运动副或者运动关节。）球形机器人控制方便，内部驱动装置简单，仅通过对其内部驱动装置的控制即可实现其运动功能，因而其控制系统也相对于传统机器人的控制系统要简单许多。）球形机器人的全部装置和运动构件均安装在球壳的内部，结构紧凑，占用空间小，并受到很好的保护。在性能方面：）球形机器人可以实现全方位运动，并且其转弯半径为零。）球形机器人和地面是单点接触，属于纯滚动摩擦，阻力小，运动灵活。）球形机器人能够实现较高速度的运动，并且受外界的干扰小。）球形机器人具有很强的路面适应能力，以及较高的承载能力。在应用方面：）球形机器人本身是球体，没有导线暴露在外面，不易被障碍物挂住或挂断导线，使机器人能在恶劣的环境下工作。）球形机器人能便利地穿过口径略大于其赢径的曲折的通道或者茂密的树丛而不会被阻碍。第一章绪沦北京邮电大学硕士研究生学位论文）球壳完全密封的球形机器人能在沙漠、沼泽、水面、海滩上使用，或水陆两用。并能在大范围内完成远距离观察、操作，载人，实施营救或运输物资等任务。）球形机器人能在有空气动力干扰的地带和低重力的月球表面等恶劣的环境下以较高的速度运动，可作为月球探测器。因为球形机器人有以上诸多优点，所以球形机器人已成为一个全新的研究领域，具有广泛的研究空间和良好的应用前景。下面简单地列举球形机器人未来可能的几个应用领域。）娱乐方面。如果开发出大型的球形机器人，可以用于娱乐场所，就如同汽车一样，其中安装好驾驶装置，人就可以坐在里面驾驶。但与汽车不同的是，球形机器人可以沿任意方向滚动，但人始终保持竖直向上地稳坐其中的。另外，还可以将球形机器人做成小型化、智能化的家庭娱乐玩具，就如同现在的玩具狗样。）交通运输方面。由于球形机器人有足够的承载空间和承载能力，以及足够的动力能源，所以球形机器人可以充当一种非常理想的运输工具。）军事应用方面。如果在球形机器人的球壳里装入炸药，通过控制就很容易让它进入敌人的领地，这样球形机器人就相当于一个智能炸弹了。将来还可以丌发出能潜入水底的球形机器人，这既可以充当潜水装置，也同样可以应用在军事上。因此，这将是一个非常有影响力的应用领域。国内外发展概况有关球形机器人的研究，图中列出了目前国外研制的两例比较成型的球形机器人样机结构示意图。年，芬兰赫尔辛基工业大学自动化技术实验室的，首次设计了一种球形机器人，如图（）所示。它的外部是一个球壳，内部结构由控制箱、动力轮、支撑轴、操纵轴、弹簧和平衡轮等组成一个可在球内滚动的单轮机构。这种球形机器人采用单电机内部驱动装置，球壳与驱动装置没有固结部分，依靠电机驱动动力轮使内部装置的重心偏离球心与球壳接触地面点的连线，从而驱动系统运动，并由控制装置控制其运动方向，而通过改变驱动电机的旋转速度可以控制机器人的滚动速度。同时平衡轮可以保持球体的平衡。这种设计实现了球壳的运动，但由于单轮驱动的固有局限性，它无法实现系统的全方位运动。如图，（）所示为美国密歇根州州立大学机械工程系研制的球形机器人。这种移动机器人有一个球形外壳框架以及一个新颖的内部推动机构。这种外部框架将提供最大限度的稳定性，两个方向的滚动能力，在坚硬表面上运动一一第一章络沦北京邮电大学硕士研究生学位论文的能力，以及在恶劣环境下工作的可能。这种内部推进机构把重力沿着固定在球壳内部的轮幅放射状地分散开来，而且能使机器人加速运动，匀速运动，或者静止在一点上。为了扩充机器人的性能，研制者提出将个可收回的摄像机和一个可伸缩的支架合并成一体。另外还可以包括可回收的操纵器。当机器人静止的时候，操纵器、支架和照相机将穿过外壳上的开孔向外展开，并且机器人重新丌始运动前，这些装置都将收回壳内。照相机可以用于侦察，但成功的操作要求不论机器人什么时候停下来，照相机的展开点都要垂直向上。这个球形机器人能使操纵器和支架迸行正确的展开和工作。可回收的操纵器能被用于物体的抓握和操纵。可伸缩的支架将用于在和环境的动态相互作用期间保持其稳定的姿态。一。、球体控磷籍驱动轮操纵轴支撑轴弹簧平衡轮（）（）图国外几种球形机器人样机第一章绪论北京邮电大学硕士研究生学位论文此外，在世纪年代，徐扬生教授在美国卡耐基美隆大学（）领导的一个研究小组，率先提出了高速度单轮月球探测机器人的概念，并已经开发了一个单轮稳定行走机器人样机，这可以算是一个球形机器人的雏形，图为其外形图。该种单轮行走机器人主要由四个刚体：轮子、摆锤、倾斜机构和陀螺仪组成。其中轮子是唯一与外界环境接触的部分。其内部结构是的主要部分，包括摆锤、倾斜机构和陀螺仪。摆锤包括一个直流电机和驱动轮轴的传动装置，随着摆锤的偏转，其重力产生反动力矩，从而使驱动机构为产生向前的加速度。倾斜的伺服机构通过关节连接着陀螺仪的旋转轴和摆锤，旋转轴垂直于主驱动轴并且位于的中间，由倾斜的伺服机构产生轮子侧向运动所需的转矩。最后采用陀螺仪来保持机器人行走当中的稳定，陀螺仪保证机器人在高速和低速行走时都很稳定，但是该机器人在静止时却不能稳定，一旦停止转动就会倒在地上，没有人的协助就无法再“站起”来继续运动。图单轮机器人外形图图为日本公司于年月在第二届机器人博览会“”上推出的一种“可爱的”智能球。据资料介绍，原来球体的表面与核心是分开的独立设计，表面可通过内部滚轴驱动来实现自由滚动；虽然说得这么简单，但内部结构复杂到难以想象。单就机身上安装的传感器起码在三十个以上（包括：红外传感器、光传感器、磁力传感器、声音传感器等），因此它可以通）第一章绪沦北京邮电大学硕士研究生学位沦文过以上这些传感器来辨别人的声音、体温等周围环境的变化而做出相应的动作。【】图公司的智能球在此，将各个时期有关球形机器人的相关研究进行列表比较如下结构示厂一、意图发明人等等等等孙汉旭等及时间等内部驱单轮驱动小车通用轮联接转子支柱杆配重与球壳固动装置联的两垂直转轴输入变输入输入输入输入输入输入量数量控制方丌环闭环闭环开环开环开环虱无规划运动学规无规划动力学规划动力学规划运动学规划划通过以上分析，可以总结如下：）球形机器人的工作原理是基于通过一种能引起不平衡的内部驱动装置（）的运动来破坏系统的平衡，使系统产生运动的。）正如其名字，球形机器人都有个球状的外壳。）球形机器人内部都有一个类似的内部驱动控制装置，通过电机驱动可以为球形机器人提供运动的动力。同时改变的方向和速度可以控制球形机器人的运动方向和速度。第一章绪沧北京都屯大学硕士研究生学位论文）机器人的球状外壳可以用塑料或者其它类似的材料来制作，这些材料应该能够让内部机构与外部环境之间通过无线电进行通讯。）球形结构为机器人提供了特殊的运动特性，可以使机器人冒着翻倒的危险继续运动。它还有让人惊异的能力，就是在环境中履行的时候，如果和障碍物或者其他机器人发生碰撞，球形机器人将可以自动恢复原状。】在分析过程中，也会发现国外的几个球形机器人都存在许多缺点和不足，主要表现在以下几方面。）结构复杂。比如在前两例机器人内部驱动装置中都用到了许多部件，而且每一个具体的部件都不是一个简单的单元。）控制规律比较复杂。复杂的结构组成决定了运动学分析和动力学分析都过于繁杂，因而控制起来也就不是很方便。）运动方式简单。由于内部驱动装置的局限性，只能实现单方向运动，很难实现全方位运动。）稳定性差。比如前文提到的在高速和低速行走时都很稳定，但是，当机器人静止时却不能稳定，而且一旦停止转动就会倒在地上，没有人的协助就无法再“站起”来继续运动。基于以上分析和总结，本文的研究目标是在前人研究的基础上，改进和弥补其缺点与不足的同时，充分发挥创新精神，最终研制出具有崭新特点的新型全方位运动的球形机器人。主要研究内容及拟解决的问题理论和实践表明，球形机器人具有很好的应用前景和广阔的研究空白。然而，目前国内外在这方面的研究工作还不够深入，与球形机器人相关的许多问题都亟待解决。为此，本文的主要研究内容是，从理论上深入分析球形机器人的工作原理和设计思想；设计其内部驱动装置及伺服控制系统：研制全方位球形机器人样机；最终通过实际的样机试验验证全方位球形机器人理论的正确性和可行性，并提供较好的样机运动演示。本文将主要解决以下几方面问题：）设计结构简单的内部驱动装置，实现球形机器人的全方位行走功能。）进行球形机器人运动学和动力学的初步研究。）闭环伺服控制系统的设计。论文内容安排本文其主要工作和内容包括以下几方面：第章绪论北京邮电大学硕士研究生学侍论文首先对机器人的发展概况，特别是国内外有关球形机器人研究以及应用前景做了系统的阐述。在第章里，详细地阐述了全方位球形机器人的工作原理、设计思想、实现目标及其结构设计方案，特别是就其内部驱动装置进行了详细的论述，并就减速换向机构的优化设计进行了介绍。运动学和动力学分析是实现机器人合理控制的基础，在第章分别详细地进行了球形机器人的运动学和动力学分析，并在此基础上建立了全方位球形机器人的运动学方程和动力学方程，为球形机器人控制器的研制提供了依据。机器人要实现其运动的精确化、自动化和智能化，重要的是要合理地设计与实现其控制系统。为此，第章从全方位球形机器人的实际控制目标出发，并以现有的控制元件为基础，设计了一个现实可行的伺服控制系统。最后，进行了球形机器人样机运动试验，并对试验结果迸行了分析和总结。在此基础上，对本论文进行的工作做了总结，并对球形机器人的发展提出了展望目标。一一第：章作原理和结构设计北京邮电大学硕士研究生学位论文第二章工作原理和结构设计一个完整的机器人系统，应该由以下四个相互作用的部分组成：机械系统、环境、任务和控制器，其结构的简化形式如图所示。外传感信息图机器人系统的基本结构其中，机器人的机械系统是指具有传动执行装置的机械，传统的机器人都是具有几个自由度的关节式机械结构，通常是由手臂、手腕、手爪和行走机构等组成一个互相连接和互相依赖的运动机构。机械结构的布局、类型、传动方法和驱动方式直接影响机器人的性能。不同的机器人可以具有不同的机械结构。球形机器人的机械结构与传统的机器人有很大不同，它的外表面是一个球状的外壳，而没有外伸的手臂和行走机构等。下面将从球形机器人的工作原理出发，详细地讨论全方位球形机器人的总体设计方案及其具体的结构设计。工作原理查阅相关文献发现，球形机器人的工作原理都是基于通过一种能引起不平衡的内部驱动装置（）的运动来破坏系统的平衡，进而使系统产生运动的，改变的方向和速度可以控制球形机器人的运动方向和速度。但是在研究中发现，国内外现有的球形机器人的内部驱动装胃（）的结构都是非常复杂的。同时其控制规律也很复杂，运动方式具有局限性，稳定性也很差。为此，本文将设计一种结构简单、性能齐全、控制方便，具有全方位行走功能的球形机器人。下面将简要地说明全方位球形机器人的工作原理。依据这个原理，在接下来的章节中，将详细地说明全方位球形机器人机械结构的设计以及具体的系统构成。全方位球形机器人的主要工作原理就是通过不断的调节和改变内部的重心偏移，使其重心始终处在球形机器人几何中心前方的一段距离，由此产生向前的驱动力矩，以用来克服机器人运动时所受到的各种阻力，从而使球形机器人一一第璋作原理和结构设计北京邮电大学硕士研究生学位沦文向前滚动。适当地控制其重心偏移方向，就能控制球体的运动方向。其运动的具体实现可以通过两个电机分别驱动两组传动换向机构，从而带动相应的配重块向期望的方向偏转，以改变其重心位置，最终使得整个球体向期望的方向移动。同样的方法，也可以通过调节其重心向两侧偏斜，以产生转弯所需要的力矩，从而实现转向的功能。如果运动当中的阻力较小，配重的方向可以认为是下垂的，实际的工作状态是两个配重稍向前倾，以提供足够的滚动转矩。依据这个工作原理和设计思想，下面提出全方位球形机器人的总体设计方案和功能实现，以及其具体的结构设计。设计目标和设计原则在本节中，将从全方位球形机器人要实现的基本功能出发，提出其设计指标和设计原则。基本功能全方位球形机器人要实现以下几项基本功能：）直线行走功能。这是球形机器人最基本的运动功能。）转弯行走功能。使得球形机器人运动更加灵活，可实现全方位运动。）爬坡和翻越障碍物功能。以便使球形机器人可以适应各种路面情况。随时制动功能。遥控功能。）报警功能。在实现以上基本功能的基础上，还可以对球形机器人加上一些扩展功能：）安装语音识别模块，使球形机器人能够进行语音识别，并根据人的不同语音指令进行相应的动作。）安装视觉识别装置，使球形机器人能够根据人的手势指挥做到“招之即来，挥之即去”。索尼公司在这两方面已有深入的研究。）安装触感、温度、声光等传感器，使球形机器人具备较强的环境适应能力和自动避障能力。）为了增加娱乐性，可以安装音乐模块，以使球形机器人在运动过程中或者根据不同的指令发出不同的音乐或者报警显示。）安装外伸的手臂，在静止的时候可以进行各种现场作业，如排雷等。）安装螺旋桨，可以使球形机器人实现水中运动。设计目标一一第章工作原理和结构设计北京邮电大学硕士研究生学位沦文作为一个新的研究领域的探索，本文旨在说明全方位球形机器人理论的正确性与可行性。所以，从其基本功能出发，并结合第型样机中存在的不足，提出了全方位球形机器人的设计目标如下：）实现全方位行走功能，包括直线行走和转弯行走。）迸行闭环位置伺服控制，以完善其运动控制，改善和提高控制精度。）随时制动功能，以提高其位置控制精度。）可遥控功能。）体积小，质量轻。在满足设计目标的前提下，全方位球形机器人要达到的具体性能指标为：）质量：）直径：）直线行走速度：。爬坡能力：坡度。设计原则在实现球形机器人基本功能，并保证其性能完全可靠的基础上，力求做到结构简单、控制方便、功能可靠。具体要求如下：）降低成本：在满足功能的前提下，尽量采用简单的方案，以及常用的材料和元器件，以降低成本。）可靠性：球形机器人的作业环境多变，可能在野外恶劣的条件下工作，并且可能遇到各种各样的干扰，所以要求球形机器人必须具有可靠的控制系统。）高强壮性：球形机器人较难实现精确的位置控制和速度控制，为此，必须在机械结构上保证球形机器人具有较好的刚性和较高的配合精度，以减小因为机械变形或者传动间隙引起的运动误差，更不能因为零部件的松动或者脱落而影响运动。）维护方便：球形机器人运用遥控进行控制，几乎所有的部件都安装在球壳内部，这样，很难避免因为内部零部件闻题雨进行维护维修工作因此必须保证球形机器人具有较好的可维护性。第璋作原理和结构设计北京邮电大学硕士研究生学位论文总体方案设计本文从其设计思想出发，提出了以下三种全方位球形机器人的实现方案，其中方案一和方案二均由圆锥齿轮副和圆柱齿轮副组成其传动及换向系统，而方案三的传动换向机构是由齿轮副和带传动（或链传动）组成的。通过对这三种方案的结构和性能优略的比较，本文最终选择了方案二。三种设计方案的比较方案一：这是一种完全对称的结构设计，其整体结构示意图如图所示。两个圆柱小齿轮和，分别固连在电机和电机的输出轴上；两个圆柱大齿轮和，均空套装在空心轴上，并分别与圆柱小齿轮和相啮合，且分别与位于其同一侧的同轴空套的圆锥齿轮和结合为一体；圆锥齿轮和与另外一个圆锥齿轮组成两个圆锥齿轮传动副，其中圆锥齿轮的轮轴与支撑轴同轴并固结成为一体。其中，圆柱大齿轮与、圆柱小齿轮与和圆锥齿轮与都可以做成齿数、模数相同，直径大小一样。而两个电机和也可以选择为重量相同，所以，该方案的构件可以设计成左右完全对称的。两个电机、可选择重量大一些，因为除了作为驱动源以外，还在球形机器人运动时，兼作其配重用。如果运动当中的阻力较小，那么两个电机和在球形壳体内的方向可以认为是处于铅垂向下的。但在实际工作中，两个电机和都是稍微向前倾斜，以提供足够的前进力矩的。不过，为了分析问题的简单，完全可以认为滚动阻力很小，面两个电机和在运动时总是处于铅垂向下的。第章作原理和结构设计北京邮电大学硕十研究生学位沦文方案二图方案一作为第一种方案的简化，在第二种方案中仅采用了一组圆锥齿轮副来实现球形机器人系统中的传动换向功能。如图所示，为其平面结构及原理示意图。其中，传递互相垂直转动的圆锥齿轮传动副中，与支撑轴同轴并固结成为一体的一个圆锥齿轮只与一个圆锥齿轮相啮合，该圆锥齿轮与同一侧的同轴套装在空心轴上的圆柱大齿轮结合为一体：而将方案一中的圆锥齿轮则删去，故将该侧的圆柱大齿轮与中心连接块固接为一体。两个圆锥齿轮和的齿数可以是相同的或不同的。因为支撑轴是与球壳固接的，这样当圆锥齿轮旋转时，就使得支撑轴也随之旋转，同时带动球壳也随支撑轴旋转起来。这就同样起到了方案一中的传动换向功能。第：常作原理和结构设计北京邮电大学硕士研究生学位论文方案三：注：其中有的地方表示固连其它的地方表示轴承图方案二在机械传动系统中，可以有多种传动形式，包括齿轮传动、链传动、带传动等，在球形机器人系统中，同样可以采用带传动或者链传动。该方案与前面两种方案的主要区别是用四个带轮分别代替圆柱齿轮、和，以及采用两条齿形皮带和来传递两个电机和的驱动力。采用带传动的优点是可以减少两个圆柱大齿轮和的转动惯量和加工成本，且齿形皮带传动可以吸收齿轮传动的振动，使传动更加平稳，同时又可保证原先设定的传动比。当然，本方案中的圆柱齿轮副传动还可以改用链轮和链条来代替，其运动原理是相同的。方案一与方案二设计的球形机器人实现的功能相同，而运动原理也基本一样，但与方案二相比，方案一的结构较为复杂，运动控制相应地也比方案二要复杂，同时出于具有两组圆锥齿轮副传动，这就增加了运动的耦合度。齿轮传一第章丁作原理和结构设计北京邮电大学硕士研究生学位论文动与带传动（或者链传动）相比，具有结构紧凑，传动比准确，工作可靠，传动效率高等优点，这些正好满足球形机器人体积小，质量轻，控制精度高的要求，为此，在全方位球形机器人系统中均选用齿轮传动，而不选用带传动（或者链传动）。总之，经过结构和性能的综合比较后，选定方案二为本球形机器人的设计方案。图方案三运动功能的实现下面结合图详细说明全方位球形机器人运动的实现。其中各部件如下：是球壳；和是两个支撑连接套筒，它们与球壳固连在一起：是一个中心连接块；是一根空心轴，通过两个连接板和分别与电机和固接；和是两个互相啮合的圆柱齿轮，起到传动减速的作用。其中小齿轮安装在电机的输出轴上；第章作原理和结构设计北京邮电大学硕士研究生学位论文】和是另外一对互相啮合的圆柱齿轮，同样起传动减速的作用。其中齿轮安装在电机的输出轴上；和是一对互相啮合的圆锥齿轮。其中齿轮通过螺栓连接与齿轮固连在一起。和是两个连接轴，通过这两根轴把球的支撑机构与中心连接块连结在一起。和是制动器分别与大齿轮和连接板固连。是小套筒，与大齿轮固连，起到支撑的作用。其中，中心连接块、大齿轮和、锥齿轮全部通过轴承空套在空心轴上，从而空心轴带动配重块可以绕中心连接块作旋转运动。现在来分析球形机器人的具体运动情况。参照图，假定开始时空心轴处于水平位置。若电机不动，电机转动，这将带动齿轮进而经过啮合使得齿轮转动，由于齿轮与锥齿轮固连在一起，所以锥齿轮转动将使锥齿轮转动，又由于锥齿轮通过支撑轴与球壳固连，而由于惯性和地面对球壳的反动力矩作用，球壳不能马上随着转动起来。这时，两配重块将绕着连接轴和旋转，一端翘起，一端压下，这样就使球形机器人产生一个方向的偏心力矩。在此偏心力矩的作用下，球壳最终就会沿方向（这里假设水平方向为方向，竖直方向为方向）滚动起来。若使电机反转，则球形机器人将沿着的相反方向运动；另外一种情况若电机不动，电机转动，这将带动齿轮与齿轮啮合转动，这时候由于齿轮相对球壳静止，也就是齿轮相当于一个固定齿轮，而齿轮相当于一个行星齿轮，所以齿轮将绕着齿轮的轴心做圆周运动。这样两边与齿轮和齿轮固连的配重就将随着齿轮的转动而被抬起。从而使得球形机器人内部的重心离开了原来的平衡位置而偏向方向，因此由于重心的偏移而使得球形机器人沿方向运动起来。同样道理，若使电机反转，则球形机器人将沿着的相反方向运动。如果让两个电机同时转动，且适当地控制两个电机的转速，球形机器人就可沿着预期的任意方向运动，从而实现全方位运动的功能。机械结构设计前面已经详细地分析和说明了全方位球形机器人的工作原理，并确定了它的总体设计方案。在这一节里，将从全方位球形机器人的总体设计方案出发，详细地说明其设计过程和结构组成等。第章作原理和结构设计北京邮电大学硕士研究生学位论文因为本论文的主要工作之是在原有的第一型样机的基础上，对其存在的缺陷和不足进行改进，并最终研制出第二型样机，所以在讲述球形机器人的结构设计之前，先对第一型样机给以分析和说明。如图所示为第一型样机的结构组成图。在第一型样机演示试验中，发现第一型样机存在许多缺陷和不足，具体表现在以下几方面：（）其机械结构存在很大的缺陷，精度明显不够，这就无形当中增加了机器人的运动误差。（）整体看来，机器人无论是体积还是重量都过大，这样就显得异常笨重，这不但增加了动力需求，而且也影响了运动精度。实际上，完全可以设计更，巧玲珑的球形机器人。（）个别部件的结构设计有待于进一步改善，其整体装配也存在不足，这样就给安装带来极大的不便。（）动力电源安装不合理，这样使得在充电过程中极为不方便。（）开关型步进驱动控制电路过于简单，很难实现更多的控制功能。针对以上这些缺陷和不足，在下面的内容里，将通过对改进前后的设计进行比较来做具体说明。下面将按全方位球形机器人的不同组成部分分别加以论诔。图第一型样机机构示意图伺服电机及减速器设计常用的驱动元件有步进电机、直流伺服电机等。步进电机可以在很宽范围一一第章丁作原理和结构设计北京邮电大学硕士研究生学位沦文内通过改变脉冲频率来调速，能够快速起动、反转和制动，通常不需要反馈就能进行精确控制，误差不会积累。其控制系统结构简单，与数字设备兼容。因此，步进电机被广泛应用于一些开环控制系统中，如简易数控机床、送料机构、仪器、仪表等领域。直流伺服电机响应速度侠，加减速能力强，输出电磁转矩大，转子转动惯量小，对控制信号的变化反应比较快速。并且控制电压的大小和极性改变时，电机的转速和方向也能迅速改变。因此，直流伺服电机不仅控制方便，而且响应速度快、输出转矩大，并且线性较好，有比较好的机械特性和调节特性，可以在很大范围内简单而平滑地调速。同时考虑到球形机器人要求体积小、质量轻，而步进电机一般尺寸较大，所以在改进的球形机器人伺服控制系统中选用了公司的直流伺服电机。充分考虑全方位球形机器人的工作需要和实际要求，并通过计算校核，作出了三种选择方案。下面详细说明全方位球形机器人所用电机的选择过程。选择电机的主要依据是球形机器人的动力转矩和运动速度等工作参数，同时球形机器人要求小型化、轻量化，这样选择电机时还要充分考虑到电机的体积和重量。按照全方位球形机器人的设计指标要求：）直径一；）质量；）运动速度。）爬坡坡度。球壳连接板小齿轮及配重块支撑套筒大齿轮图球形机器人运动简图一第：章丁作原理和结构设计北京邮电大学硕士研究生学位论文从这些指标出发，进行电机的参数计算和型号选择。按照前面的工作原理，这罩将全方位球形机器人简化为如图所示的模型，根据此模型进行电机参数的估算。在此首先说明各参数所代表的物理意义。旋转臂（即连接板长）（）（）（）为齿轮的模数，、分别为大、小齿轮的齿数单个配重块的质量（包括电机、减速器、编码器及电源等的质量）按设计目标，估计，球形机器人运动所需最大转矩三】球形机器人转动速度（按设计要求或转速，），球形机器人传动系统的减速比。（其中为减速器的减速比；为大小齿轮间的传动比）电机的额定转矩电机的额定转速表电机与减速器选择方案泛电机减速器电机减速器电机减速器型号功率（）输出转矩（转速（）减速比：效率工作电压（）启动电流（）工作电流（）质量（）尺寸规格士中中中由中（）第章作原理和结构设计北京邮电大学硕士研究生学位论文接下来对电机参数进行估算，所选电机应该满足下面的要求：一：（）（）因此，电机的选择要综合考虑转矩和转速这两个参数。而其中参数又由减速器的减速比来决定，这样，在选择电机的同时必须选择与之配套使用的具有合适减速比的减速器。为此，经过详细查阅公司的有关手册，列出了三种可行的方案如上表所示。现在仅以方案为例说明计算校核过程。）首先通过查阅电机手册，得到电机的输出转矩为，再考虑电机和减速器各自的效率和，所以电机的实际输出转矩为。）根据要求，要满足：一，则减个速比。所以所需减速器减速比为娑：，根据此减速比，查表得与电机配套的减速器满足要求。）再看转速是否满足要求。由上表知电机转速为：减速器的减速比：，所以总转速比为。故球形机器人实际转速为：月：，所以，满足设计指标要求。）最后，再来检验一下电机和减速器的体积和质量。电机和减速器的总长，总质量，都能够满足设计目标。电机选择的流程图如图所示。峪嵩配减速器。，乓悉：二其中、与、分别为电机和减速器所允许的最大长度图电机选择流程图因此，最后选择了方案一：和，其它参数请参看一表。而另外两个方案，都因为电机尺寸过大而不能满足全方位球形机器人的体积指标要求。一第：章作原理和结构设计北京邮电大学硕士研究生学位硷文。传动系统优化设计传动系统的设计是机器人设计中的关键内容之一。好的传动系统可使机器人的动力传动效率高、运动传递准确和整体布局合理。相反，不好的传动系统会使机器人性能因效率低而达不到设计要求，并且会产生较大的运动误差而无法准确地控制机器人的运动。传统的机器人系统都有其复杂的传动装置，但从上面的全方位球形机器人原理中，已经发现其传动装置的设计是非常简单的，但却能够实现机器人的全方位运动功能。本文引用优化设计的方法对全方位球形机器人传动装置的设计进行说明。根据设计目标要求，在保证全方位球形机器人性能的前提下要求其体积最小，所以此节从机构优化设计的角度来探讨全方位球形机器人齿轮减速换向机构的设计问题。在全方位球形机器人中，因为电机和减速器已经选定，其机构尺寸以及输入功率就都已经给定，所以球形机器人的体积主要就由齿轮减速和换向机构来决定了。另外齿轮减速比也已经给定。这里，利用惩罚函数法（法）进行齿轮减速及换向机构的最优化设计。下面首先对惩罚函数法作简单的介绍。（惩罚函数法介绍惩罚函数法的基本原理是将约束优化问题（）忸，（）（，）（）（素，）中的不等式和等式约束函数经过加权转化后，和原目标函数结合成新的目标函数惩罚函数矽（，），（），（坩乞州噍