球形机器人运动原理

精品文档 1欢迎下载 球形机器人运动的运动原理 一 球形机器人简介一 球形机器人简介 球形机器人在许多国家的科研领域目前还是一个较新的概念 从获得的十 分有限的资料来看 分为两大类 第一类由内部独立的动装置驱动球壳运动的 球形机器人虽然实现运动的原理很简单 但是它的内部驱动部分是一个非完整 系统 球壳的运动也是一个非完整系统 使得精确控制变得不可能 第二类通 过改变系统重心 产生偏心力矩驱动球壳运动的球形机器人 其机构都很复杂 稳定性较差 预定轨迹的控制方法也非常难以求得 因此要提高机器人的动态 稳定性 低速稳定性 以及实现它的精确控制 内部驱动机制的设计成了球形 机器人设计的核心 二 二自由度摆臂驱动式球形机器人运动的机械原理二 二自由度摆臂驱动式球形机器人运动的机械原理 由于球体的运动不能借助外力 只能依靠内部驱动 而内部驱动的根本要 素在于使球体的质心发生变化 因此 如果能设计出使球体质心发生改变的机 构 就可以实现驱动球壳运动的目的 而借助摆臂改变质心位置无疑是一种最 简洁的方法 2 1 运动原理 该结构采用内部二自由度摆臂驱动 通过摆臂绕悬轴 x 轴 改变球体在 Y 方向的质心 同时还可以通过前段摆臂绕关节 y 轴 的旋转改变球体在 X 方向上的质心 如二摆臂同时运动 则可以实现球体质心位置的任意改变 从 而驱动球体在任意方向的运动方案简图如下 图 2 1 二自由度摆臂球形机器人示意图 精品文档 2欢迎下载 2 2 建立二自由度摆臂球形机器人三维模型 仔细分析其运动机理和各个零件的相互作用 之后根据简图和其运动原理 用 SolidWorks 画出各个零件 然后在装配图中进行配合 最终建立如下图所示 的三维模型 图 2 2 二自由度摆臂球形机器人三维模型 2 3 导入到 adams 中进行动力学仿真 在 SolidWorks 中将上图的三维模型保存为 X T 格式 打开 adams 将该 X T 精品文档 3欢迎下载 格式文件导入 导入之后如图所示 图 2 3 二自由度摆臂球形机器人动力学模型 导入之后添加运动副 给零件定义材料属性和质量属性 最后在确定合适步长 和仿真时间之后进行仿真计算 观察运动情况了解其运动的机械原理 仿真结 果显示这种机构设计能实现机器人的直线运动 转弯和曲线运动 仿真视频已在上课时 ppt 里展示过 三 全对称机器人运动的机械原理三 全对称机器人运动的机械原理 3 1 结构示意图 精品文档 4欢迎下载 图 3 1 全对称球形机器人结构图 3 2 全对称球形机器人原理 如图 3 1 所示 该球形机器人包括球壳 1 左旋滚珠丝杠 2 左配重块 3 左电机 4 第一向心推力轴承 5 第一推力轴承 6 第二推力轴承 7 第二 向心推力轴承 8 第三向心推力轴承 9 第三推力轴承 10 右配重块 11 右 电机 12 第四向心推力轴承 13 第四推力轴承 14 右旋滚珠丝杠 15 支承 圆盘 16 左电机 4 的机身通过球壳 1 上的法兰固定在球壳 1 上 右电机 12 的机身通过球壳 1 上的法兰固定在球壳 1 上 左电机 1 和右电机 12 对称处 在球壳 1 的直径方向上 支承圆盘 16 和球壳 1 固联在一起 左旋滚珠丝杠 2 左端出轴与左电机 4 的出轴固定联结 左旋滚珠丝杠 2 左端轴从左向右依 次装配第一向心推力轴承 5 和第一推力轴承 6 第一向心推力轴承 5 和第一推 力轴承 6 的外圈装配在球壳 1 上的轴承座孔内 左旋滚珠丝杠 2 右端轴由从 左向右依次装配第二推力轴承 7 第二向心推力轴承 8 第二推力轴承 7 第 二向心推力轴承 8 的外圈装配在支承圆盘 16 的轴承座孔内 左配重块 3 通 过合螺母装配在左旋滚珠丝杠 2 上 右旋滚珠丝杠 15 右端出轴右电机 12 的出轴固定联结 右旋滚珠丝杠 15 右端轴从右向左依次装配第四向心推力轴 承 13 和第四推力轴承 14 第四向心推力轴承 13 和第四推力轴承 14 的外圈 装配在球壳 1 上轴承座孔内 右旋滚珠丝杠 15 左端轴从右向左依次安装第三 推力轴承 10 第三向心推力轴承 9 第三推力轴承 10 第三向心推力轴承 9 外圈装配在支承圆盘 16 的轴承座孔内 右配重块 11 又通过配合螺母装配在右 精品文档 5欢迎下载 旋滚珠丝杠 15 上 该球形机器人在球壳的直径方向上固定左电机和右电机 分别带动两左旋滚珠丝杠和右旋滚珠丝杠 左旋滚珠丝杠和右旋滚珠丝杠旋向 相反 导程 精度等级规格相同 由于对称安装 所以当左电机 右电机转向 相反时 左电机和右电机对球壳产生的驱动力矩相同 假定初始状态为丝杠轴 水平 左配重块和右配重块对称布置 这时只要让左电机和右电机转向相反 则由于左旋滚珠丝杠和右旋滚珠丝杠旋向不同 左配重块 右配重块作对称的 运动 不会产生重心偏移 就使得球壳实现直线运动 同时因为两配重块设计 为重心偏下 则偏重块在丝杠中间时由于自身重力作用而仅作直线移动 而当 移动到行程两端时 由于推力球轴承的作用而变为转动 这样如果直线运动过 长 则会出现配重块运动到丝杠行程端部的情况 这时配重块由移动变为转动 球壳继续直线运动 如果让左电机 右电机转向相同 则它们对球壳的驱动力矩反向 破坏左 配重块与右配重块的对称 产生偏心力矩 当达到所需的转弯半径后 改变产 生所需运动方向相反力矩的电机转向 于是球壳开始作一定曲率半径的圆弧运 动 如果圆弧运动过长 则会出现一边的配重块先运动到丝杠的行程端部 这 时停止另一边的电机 只让一个电机工作 球壳则继续作该曲率半径的圆弧运 动 保持这种状态 球壳就作圆周运动 这样通过分别调节两电机的正 反转 和起停运动 就可实现球壳的预定轨迹的运动 3 2 建立全对称球形机器人三维模型 仔细分析其运动机理和各个零件的相互作用 之后根据简图和其运动原理 用 SolidWorks 画出各个零件 然后在装配图中进行配合 最终建立如下图所示 的三维模型 精品文档 6欢迎下载 图 2 2 全对称球形机器人三维模型 2 3 导入到 adams 中进行动力学仿真 在 SolidWorks 中将上图的三维模型保存为 X T 格式 打开 adams 将该 X T 格式文件导入 导入之后如图所示 精品文档 7欢迎下载 图 3 3 全对称球形机器人动力学模型 导入之后添加运动副 给零件定义材料属性和质量属性 最后在确定合适步长 和仿真时间之后进行仿真计算 观察运动情况了解其运动的机械原理 仿真结 果显示这种机构设计能实现机器人的直线运动 转弯和曲线运动 精品文档 8欢迎下载 仿真视频已在上课时 ppt 里展示过 四 两种球形机器人的分析与对比 二自由度摆臂球形机器人从原理上看是具有很大可行性的 但是从结构的 实现上却显得有些困难 首先 在狭小的球体内部如何实现摆臂及其辅助部件 的安装 如电机 电池等 摆臂的质量从理论上分析应该很大 否则不足以驱 动球体运动 但带来的问题就是电机驱动功率的增加和质量的增加 这些问题 相互制约 其次 球体无法实现高速运动 因为摆臂和其他部件的安装都在一 起 必然制约摆臂的运动 从而限制球体的整体运动速度 和以上二