一种全向滚动球形机器人运动结构的创新设计

1、 文章编号 :1004-5422(2009 01-0063-03一种全向滚动球形机器人运动结构的创新设计聂志萍 , 董万福(成都大学 工业制造学院 , 四川 成 都 610106摘 要 :介绍了一种可实现全向运动的球形机器人系统 , 通过变异创新的方法扩大两垂直 交叉的回转 运动副 , 将偏心质量包围在其内部 , 且由于两垂直交叉运动副是完全彼此独立的 , 使其完全真正实现平面二维无限制 自 由运动 , 从而实现球形机器人沿任意方向的运动 . 同时 , 利用非 完整系统 力学理论对 球形机器 人运动 学进行 了 初步分析 , 为进一步的动力学分析奠定了基础 . 关键词 :球形机器人 ; 偏心质

2、量 ; 全向运动 ; 运动学分析中图分类号 :TH112;TP271+. 2 文献标识码 :A0 引 言目前 , 球形机器 人的研究得到了国内外越来 越多的专家和学者的关注 . 从 20世纪 90年代中期 以来 , 球形机器人出现了几种较有影响的设计结 构 , 主 要应 用 于 研 究、 娱 乐、 探 测 等 领 域 . 在 国 外 1 , Hahne 等研制出了第 一台球形机器人 , 它由 一个电机驱动的驱动轮在 球壳体内滚动 , 通过改 变系统的重心来实现球体的滚动 . 之后 , Bichi 、 Fer -riere 等均对该设计进行了改进 , 但由于驱动装置 固有的局限 , 它们都无法实

3、现球形机器人的全向滚动 . 在国内 2, 北京 航空航天大学、 北京邮电大 学等高校先后对球形机器 人进行了研究 , 哈尔滨 工业大学也于 2003年设计制造了一种典型的球形 机器人 球形运动器 .1 问题的提出目前 , 球形机器 人研究的焦点集中在推进器装置和 控制 策略两 个方面 1, 2. 在推 进器装 置方 面 , 目前有单轮驱动、 小车驱动、 万向轮驱动、 电机 定子反转驱动和配重体驱 动 . 这些球形机器人采 用了不同的驱动方式 , 各有特色 , 实现了球体的滚 动 , 但上述推进器装置中仍存在一些 不足 :首先 , 在这些方案中球体内无法提供一个相对稳定的搭 载平台 , 因而无法

4、实现有效的应用 ; 其次 , 各方案中的驱动机构是相互关联的 , 形成某种约 束与限 制 , 无法真正实现平面二维的无条件自由运动 .2 全向滚动球形机器人运动结构设计我们设计的全向滚动球形机器人结构如图 1所示.图 1 球形机器人结构原理图全向滚动球形机器人的主体结构采用两相互 垂直的圆环构成骨架 , 外壁采用球形壳体 作为滚 动体 , 滚动体与骨架固连 , 材料选用非金属材料 , 以保证系统与外界的通信联络 . 偏心质量 驱动通 过两相互垂直相交 , 且回转中心重合的二 回转副 结构来实现 , 其基本思路是将回转运动副变形扩大收稿日期 :2009-02-19.作者简介 :聂志萍 (1972

5、 , 女 , 硕士研究生 , 讲师 , 从事机械设计理论研究1使之既具有回转运动副的 功能 , 同时也是驱动小 车 的轨道 . 电机、 电 源及其 控制装 置置于 滚动体 内 , 通过控制系统实现对球体运动的有效控制 . 电 机选减速直流电机 , 经齿轮传动和摩擦轮与轨道 的摩擦传动实现偏心质量的驱动 . 动环驱动小车 6沿外轨 3运动 , 偏心质量驱动小车 5沿内轨 4运 动 . 通过控制两小车的运动配合方式来改变配重 重心的位置 , 从而实现球形机器人沿任何方向的 运动 .3 球形机器人的运动学分析建立基础坐标系 OX YZ 于水平面上 , 动坐标系 SX c Y c Z c 固定于球体上

6、 , 坐标原点在球心上 , 小车 6的旋转轴为 X c 轴 , 小车 5的旋转轴为 Z c 轴 , Y c 轴由右手法则确定 , 如图 2所示 .图 2 球形机器人运动学分析坐标系为确定球的运动 , 选 5个参数 :接触点 P (x ,y 以及 3个欧拉角 H 1、 H 2、 H 31, 4. 坐标系 SX 1Y 1Z 1是与基础坐标系相平行的 , 动坐标系相对于坐标 系 SX 1Y 1Z 1的姿态可用 3个欧拉角 H 1、 H 2、 H 3来表 示 . 欧拉角通过 3次变换得到 :第一次绕 X 1轴正向 转过 H 1, 得 新 坐 标 系 X c 1Y c 1Z c 1; 第 二 次 绕 X

7、 c 1Y c 1Z c 1坐标系的 Y c 1轴正向转 H 2, 得到新坐标 系 X d 1Y d 1Z d 1; 第三次绕 X d 1Y d 1Z d 1坐标系的 Z d 1轴 正向转 H 3. 通过 3次转动后即与动坐标系 SX c Y c Z c 完全重合 .用 3个欧拉角 H 1、 H 2、 H 3可确定球体的角速度 在动坐标系 SX c Y c Z c 的坐标 :X 1=(H #1cos H 2cos H 3+H #2sin H 3 i 1+(H #2cos H 3-H #1cos H 2sin H 3 j 1+(H #sin H 2+H #3 k 1(1, j 13X 、 Y c

8、 Z c 的单位矢量 .若球体在平面上做无滑动的纯滚动 , 则它与 平面接触点 P 的速度必为零 . 设 V C 为球心 S 点的 速度矢量 , r 为球心 S 点到 P 点的矢径 , V P 为接触 点处的速度矢量 , 即 ,V P =V C +W R (2将上述速度矢量 V C 投影到与基础坐 标系平行的 SX 1Y 1Z 1坐标系 , 则有 :V C =x #i 2+y #j 2(3X 2=(H #1+H #3sin H 2 i 2+(H #2cos H 1-H #3sin H 1cos H 2 j 2+(H #2sin H 1+H #3cos H 1cos H 2 k 2(4 r =R

9、 k 2(5其中 , i 2、 j 2、 k 2分 别 是 与 基 础 坐 标 系 平 行 的 SX 1Y 1Z 1坐标系 X 1、 Y 1、 Z 1的 3个坐标轴的单位矢 量 , R 为球的半径 .球沿着平面作纯滚动的条件为 V p =0, 即 , x #i 2+y #j 1+(H #3sin H 2+H #1 i 2+ (H #2cos H 1-H #3sin H 1cos H 2 j 2+(H #2sin H 1+ H #3cos H 1cos H 2 k 2(-R k 2 =0(6可得到如下约束方程 :x #+R (-H #2cos H 1+H #3sin H 1cos H 2 =0y

10、 #+R (H #sin H 2+H #=0(7式 (7 是 2个一阶线性齐次稳定的非完整约 束方程 , 而球形机器人系统有 3个自由度 , 所以系 统是一个非完整欠驱动系统 .4 基本工作原理及创新在球形机器人系统 中 , 当球体处于稳定的 平 衡状态时 , 其重力的作用线总是通过其支撑点 , 且 重心位于最低点 , 通过改变球体中心位置 , 使重力 作用线相对于球体偏离支撑点 , 从而得到 一偏心力矩 , 进而实现平面二维的运动 . 这也是所有球形 机器人驱动的基本原理 .我们所设计的球形机器人的技术特点与创新 在于偏心质量的构成及其驱动结构 .首先 , 构成球形机器人偏心质量驱动的二 垂

11、 , #64# 成都大学学报 (自然科学版 第 28卷不构成任何的约束与限制 关系 , 因而较之前所有 各类球形机器人而言 , 可真正实现二维平面任何 形式轨迹的运动 , 无需做任何附加的位置姿态的 调整 , 同时 , 其控制系统相对比较简单 .其次 , 通过外部 遥控装置来操作偏心质量驱 动小车 , 可实现球形机器人的直线进退 , 操作动环 驱动小车可实现球形机器 人的自转 , 按照一定的 规律同 时操作偏 心质量驱 动小车 和动环 驱动小 车 , 从而产生转动驱动力矩来克服运动时产生的 摩擦力和其他阻力 , 最终实现球形机器人沿任意 曲率的曲线运动 .5结 语我们设计的全向滚动球形机器人可

12、实现平面 二维任意方向的直线、 折线、 任意曲率的曲线运动 及自回转运动 . 在球形机器人的结构上采用两垂 直相交且回转中心重合的 二回转运动副结构 , 构 思巧妙 , 具有独创性 . 从实 用角度看 , 球形机器人 的球体为单层球体结构 , 结构简单 , 球体中心完全 空置 , 可搭载各类检测装置和探测设备等 .此外 , 在设计中 , 我们对球形机器人的内部驱 动和支撑结构进行了全新的创新设计 , 具 有独创 性 , 真正从理论与实际结构上实现了平面 二维运 动的无限制 , 为球形机器人的进一步实际 应用和 研究提供了一个实用有效的平台 .参考文献 :1李团结 , 朱 超 1一种具 有稳 定

13、平 台可 全向 滚动 的球 形机器人设计与 分析 J. 西 安电 子科 技大 学学 报 (自 然科学版 , 2006, 22(4 :46-48.2邓宗全 , 岳 明 . 球形运动器动 力学分析 及控制系 统设 计 J.机器人 , 2006, 28(6 :565-570.3李团结 , 苏 理 , 张 琰 . 直线 电机 驱动 的全 向滚 动球 形机器 人的设计与 研究 J.机 械 设计 与研 究 , 2006, 22 (4 :46-48.4于 波 , 陈云相 , 郭秀中 . 惯性技 术 M .北京 :北 京航天 航空大学出版社 , 1994.Innovation Design of a Sphe

14、rical Omnidirectional Rolling Robot Movement StructureNIE Zhiping , DONG Wan f u(School of Industry Manufacturing, Chengdu Uni versity, Chengdu 610106, ChinaAbstract :The spherial robot of one kind of mechanical system which may realize the omnidirec tional move -ment. It is through the variation in

15、novation method, expands two square crossing gyroscopic motion. By the variation innovation method, it expands two square crossing gyrosc opic motion, and surrounds the eccentric quality in its. Because two square crossing gym suits are each other completely independent, truly it realize the plane two -dimensional unlimited free motion. It may be suitable for each kind of different geographical environment completely. The spherial robot is based on a nonholonomic system. Preliminary analysis and re -search is made on the spher