一种全向运动的球形机器人研究

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1、一种全向运动的球形机器人研究Researchonanomnidirectionalsphericalrobot专业学位类别：1仪器仪表工程1作者姓名：1杨伟1指导教师：1李健1天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一七年十一月摘要球形机器人是一种新颖、灵活的移动机器人，在军事、工业生产以及仪器仪表等领域均具有广阔的应用前景。内驱单元是球形机器人的核心组成部分，决定了球形机器人的性能。近年来，国内外研究机构已相继研制出多种类型的球形机器人，较具代表性的有滚轮驱动、辐式配重驱动、单摆驱动和双摆驱动等。既往研究虽

2、取得了一定成果，然而在运动灵活性和模型复杂性等方面存在较多缺陷，限制了球形机器人的发展与应用。本文设计了一种结构简单、全向运动、模型简化的球形机器人，可用于搭载仪器设备在管道中行走以完成相应的检测任务。论文的主要研究工作如下：1.针对双摆驱动球形机器人动力学模型过于复杂的问题，设计了一种以双摆驱动滚动和弹跳、以丝杠-螺母调整转向的球形机器人，分离了转向与滚动间的驱动耦合关系，以有效简化动力学模型。2.采用分离法将球形机器人的复杂运动解耦为滚动、转向和弹跳三种基本模式，通过第二类拉格朗日方程法建立弹跳运动的

3、动力学模型，通过牛顿-欧拉方程法建立滚动和转向运动的动力学模型，并深入分析了滚动爬坡运动。3.基于ANSYS流体力学仿真软件对球形机器人的流体力学特性作仿真分析，应用MATLAB软件对仿真结果作最小二乘拟合，修正出球形机器人在水管道内运动时的动力学模型。4.基于ADAMS软件对球形机器人作运动仿真分析以验证球形机器人动力学模型的准确性，加工制作一套球形机器人实验样机，对球形机器人的滚动爬坡、转向和弹跳展开实验研究以测试球形机器人的爬坡、转向和弹跳性能。仿真和实验结果表明，本文设计的球形机器人结构合理，建立

4、的动力学模型准确、可靠，球形机器人滚动爬坡、转向和弹跳性能均良好，较双摆驱动结构，系统的动力学模型有效简化。关键词：球形机器人，ADAMS，流体力学，动力学模型IABSTRACTThesphericalrobotisakindofnovelandflexiblemobilerobot.Inthefieldsofinstrumentsandmeters,militaryandindustrialproduction,thesphericalrobothasabroadapplicationprospect.

5、Forasphericalrobot,thedriveunitdeterminesitsperformance.Researchinstitutionsoftheworldhavedevelopedavariatyofsphericalrobotsinrecentyearswhichcouldbedividedintothewheeltype,theradialweighttype,thesimplependulumtypeandthedoublependulumstype.Thepriorresearc

6、heshaveobtainedcertainachievements.However,intermsofkinematicdexterityandmodelcomplexity,thesphericalrobothassomedefectstobeimprovedwhichseriouslyrestrictsitsdevelopmentandapplication.Akindofomnidirectionalsphericalrobotispresentedinthisthesiswhosestructu

7、reanddynamicmodelaresimplified.Itcouldbeusedtocarryinstrumentstorollinthepipelinetocompletecorrespondingdetectiontask.Themainworksinthisthesisareasfollows:1.Tosimplifythedynamicmodelofthesphericalrobot,anovelsphericalrobotwasprovidedwhichwasdrivenbytwopen

8、dulumsandcouldadjustitsdirectionofmotionthroughasetofscrew-nut.2.Thedynamicmodelofthemotionsofscrolling,climbing,steeringandbouncingweredevelopedrespectivelybasedontheNewtonEulerequationandtheLagrangeequation.3.Thea