一种新型球形机器人机构设计及运动仿真.pdf

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1、一种新型球形机器人机构设计及运动仿真白杰，党建军，张谋，郭芳(西北工业大学航海学院，陕西西安710072)DesignandMotionSimulationofaNewKindofaSphericalRobotBAIJie，DANGJian—jun，ZHANGMou，GUOFang(SchoolofMarineEngineering，NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xi’an710072．China)摘要：提出一种新型全方位运动球形机器人结1系统结构构方案，运用非完整系

2、统力学理论对球形机器人运动学进行分析，利用ADAMS软件进行虚拟样机建本文设计的球形机器人如图1所示。其中，球模和运动仿真，通过物理样机实验验证运动分析的壳和轴固联，架子杆通过滚子轴承实现与轴的铰接，正确性。电机固定在板子上。电机可以在丝杠上运动。在电关键词：球形机器人；机械结构；运动仿真机的另一侧放置控制电路板，电池等设备。在实际中图分类号：TP24应用中可以搭载传感器等测量仪器。文献标识码：A文章编号：1001—2257(2010)l1—0073—03Abstract：Anewkindofspherica

3、lrobotispresented．Preliminaryanalysisismadeonspheri—calrobotkinematicsbyusingnonholonomicsystemdynamics．Themodelofthevirtualprototypeand一themotionsimulationisdeveloped．Theexperi—I————mentalresultssupportthemotionanalysis．『-]Keywords：sphericalrobot；mechanica

4、lsys—：l】蛔曲tem；kinematicssimulation＼丝杠框架小齿轮0引言转向电机球形机器人是一种以滚动运动为主要运动方式的智能机器人。其外形独特，转弯半径小，不怕翻图1球形机器人结构倒，运动阻力小，能量消耗小，具有广阔应用前景。机构采取遥控方式，控制者发出指令后，电机转动，通过齿轮，齿轮，将力矩传给轴，球壳受轴转矩后因而倍受科技人员关注，是目前智能机器人研究领域的热点问题之一lIj。开始滚动。而架子及板子，会因为齿轮间力的作用，总结国内外球形机器人的研究可以发现，球形整体向前摆起，当摆至某一

5、个角度时，重力，齿轮力，架子杆受到的拉力会形成力平衡，但是此时速度不机器人的驱动主要有2种思路：一种是在球壳内部添加小车等装置驱动球运动，另一种是靠改变球的为零，整个架子会继续向上摆起做减速运动，到达一定高度后会向下摆动，整个架子在球前进的过程中重心驱动球运动。本文采用改变球重心的驱动原做单摆运动，而球壳不断向前滚动]。理，提出球形机器人新型机构设计方案。当球需要转向时，令电机向相应方向运动，球重心改变，球壳实现转向。球形机器人三维造型如图收稿日期：2010—08—032所示。《机械与电子}2010(11)·

6、73·w一(-02cos01十sin01cos02)i+(2sinOl+03cosO1cos02)J『+(lCOS02cos03十sin03)k(1)假定球只做纯滚动，所以球与平面XOY的接触点的运动速度V为零。得到：图2球形机器人三维造型V一yG+w×r一0(2)2运动学分析又有r一一，其中r为球体的半径。则得到如下方程式：2．1建立运动模型++[(-02cos01+sin0lcos02)l+简化的机器人系统如图3所示。机器人简化运(2sin01十3cos01cos02)．『+(1cos02eos03+动空

7、间如图4所示。球壳的重心在O，配重的重心2sin03)]×(一rk)一0(3)在02，在运动过程中球壳的重心不发生变化，因此，可以得到：通过配重不同的位置可以调节整个球形机器人重心位置，从而达到控制机器人运动的目的L3]。以0为一r‘?sc。s。。+zsin一o(4)lY+r(O3sin0lCOS02-02cos1)一0原点建立如图所示的XYZ三维坐标系，xyz为世界由运动合成定理可得球形机器人运动速度为：V。一,／~2-t-y2=r丽(5)通过对速度进行积分，还可以得到球形机器人的位置关系：—r。s02+i

8、“(6)【—r(一sin0lCOS02+02cos01)3仿真计算及分析3．1建立虚拟样机o)为模拟机构运动情况，建立如图5所示沿着直线方向运动的简化虚拟样机模型，在ADAMS环境中进行运动仿真，并对结果进行分析。f)球壳直径300mm，厚1mm，质量4．35kg，配in口cos口，Lsin口sin口，Lcos口)重质量0．5kg，摆杆和轴之间建立旋转副，对轴加图4简化运动空间0．2N·in的力矩，