风力驱动球形机器人动力学

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1、第3l卷第2期2010年2月航空学报ACTAAERONAUTlCAETASTRONAUTICASINICAV01．31No．2Feb．2010文章编号：1000-6893(2010)02一0426一05风力驱动球形机器人动力学李团结，刘卫刚(西安电子科技大学机电工程学院，陕西西安710071)DynamicsoftheWind—drivenSphericalRobotLiTuanjie，LiuWeigang(SchoolofElectronicEngineering，XidianUniversity，Xi’an71007

2、1，China)摘要：风力驱动球形机器人是一种新型移动机器人，适合于危险或人类难以到达的复杂地形环境的探测，因此在环境探测领域具有独特的优势。首先考虑了碰撞接触点无滑动和有滑动的情况，采用Kane方法建立了风力驱动球形机器人弹跳动力学模型，该模型可以直接分析机器人碰撞后的运动情况。然后给出了机器人滚动和滑动的运动条件，运用牛顿力学方法建立了机器人的滚动和滑动动力学模型。最后将弹跳、滚动和滑动运动模式有机结合，并考虑环境中随机风的作用，实现了风力驱动球形机器人的运动仿真。数值仿真结果揭示了环境变化和机器人结构参数变化对其运

3、动性能的影响。关键词：球形机器人；风力；动力学；环境探测；运动模式中图分类号：TP24文献标识码：AAbstract：Thewind—drivensphericalrobotisanovelmobilerobotwhichcanbeusedtOexploredangerousandcomplexterrainsinaccessibletOhumanbeings．Thusthisrobotpossessessomeuniqueadvantagesintheenvi—ronmentexplorationfields．This

4、articlefirstconsidersthecaseinwhichtherobotisslippingornotatthepointofcontact，andusestheKanemethodtOestablishabouncingdynamicmodelofthewind-drivensphericalro-bot．Themodelprovidesadirectmethodforanalyzingtherobot’smovementafterimpact．Then，therollingandslidingcondi

5、tionsaregiven，andtherollingandslidingdynamicmodelsoftherobotbasedonNewtonme-chanicsareestablished．Finally，thedynamicmodelsofthemotionpatternsarecombined，andtheeffectofthestochasticwindintheenvironmentareconsidered．Themovementsimulationoftherobotisrealized．Thean—m

6、ericalsimulationresultsrevealtheeffectoftheenvironmentandthestructuralparametersonthemovementperformancesoftherobot．Keywords：sphericalrobot；windpower；dynamics；environmentexploration；motionpattern随着人类活动领域的不断扩大和探索过程的不断深入，常见的轮式、腿式、履带式移动机器人在某些恶劣的复杂地形环境中已难以应用。球形机器人是一种

7、以球形或近似球形为外壳的独立运动体，所有零部件都封装在一个球壳内部，造型新颖别致，行动灵活。因而，倍受世界各国研究人员关注。根据驱动属性可将球形机器人分为两类：内驱动和外部风力驱动。内驱动球形机器人的研究具有较长的历史[1。8]，可实现完全自主运动，但作为环境探测机器人，即各种探测仪器或设备搭载的移动平台，必须携带足够的能源(或燃料)或供能装置用于驱动内部测控系统和自身运动驱动系统。因此，内驱动球形机器人受携带能源制约，活动范围有限，难收稿日期：2008—12-19：修订日期：2009—04—01基金项目：国家自然科学基

8、金(50875193)通讯作者：李团结E—mail：tjli888@126．tom以实现远距离大范围的环境探测。风力驱动球形机器人的概念来源于草原上一种自然植物“风滚草”(又名蓟)的运动方式[9]，主要目的是为地球上的严酷环境探测和外星球表面环境探测提供一个低成本、高效率和高可靠性的运动系统。最早是1977年由美国喷