一种球形机器人的设计与原理分析

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1、第17卷第1期机电产品开发与创新Vol.17,no.1·开20发04与年创1新月·DeveIopment&Innovationofmachinery&eIectricaIproductsJan.,2004一种球形机器人的设计与原理分析肖爱平!，孙汉旭!，廖启征!，谭月胜"（1.北京邮电大学自动化学院191信箱，北京100876;2.北京航空航天大学机器人研究所，北京100083）摘要：本文中的球形机器人是一种非完整系统，它利用两个电机作为动力输入，通过改变配重重心的位置实现了球形机器人沿任意方向的运动，包括原地的自转，并且具有一定的爬坡能力。由于其具有特殊的灵活性，它可以应用于各种不同的场合

2、。本文简要介绍了该球形机器人的机械设计原理和相关的基本运动原理分析。关键词：球形机器人；非完整系统中图分类号:TP242文献标识码:A文章编号：1002-6673（2004）01-014-03人的机构简单，重量减轻，运动学、动力学的分析和控0引言制相对简单，增加了系统运行的可靠性。球形机器人具有运动全向性的特点，是一种非完整1系统结构系统。其优势在于它有可能使用较少数目的动力输入来控制较多数目的约束。它既能像轮式机器人一样，具有球形机器人包括内外两层结构，如图1所示。快速行走的性能和大的承载能力，又能像步行机器人一图1中样，适应崎岖不平的地面；同时结构相对简单，减小系电机8、9和统的重量和花

3、费，增加系统可靠性。球形机器人的研究齿轮10、11目前开展得并不广泛，只有少数论述涉及到这方面的设构成配重，球计和研究。形机器人的主1996年，HeIsinkiUniversityofTechnoIogy的要工作原理就AarneHaIme,JussiSuomeIa,TorstenSch?nbergandYan是通过不断的Wang[1]首次设计了一种球形机器人。设置一个单轮在调节和改变配球内滚动，采用电机内驱动单轮装置，这种设计实现了重的重心位球壳的运动，但由于单轮驱动的固有局限性，它无法实置，因而产生图1球形机器人结构简图Fig.1StructureoftheSphericalRobot现系

4、统的全向性运动。1997年，Bicchi[2]等设计的球形转动驱动力车使用一辆小车代替单轮作为内驱动装置。这两种机构矩，用来克服机器人运动时产生的摩擦力和其他阻力，中，内驱动部分是非完整系统，球壳的运动又是一个非使球形机器人滚动。完整系统，使得整个机构控制比较复杂。Ferriere[3]等电机8转动时，带动齿轮11进而经过啮合使得齿于1996年使用通用轮驱动球体从而实现系统的运动，轮13转动，齿轮13与锥齿轮15固联在一起，从而带动Bhattacharya和AgrawaI[4]等于2000年在球体内设计了锥齿轮15转动，由于锥齿轮14通过支撑轴3与球壳1两个互相垂直的转子。2002年伊朗的J

5、avadi和Mojabi[5]固联，所以配重绕轴2转动。设计了一种球形机器人。它在球内与球固联了成正四面电机9转动时，带动齿轮10与齿轮12啮合转动，体分布的四根支柱杆，通过改变支柱杆上配重的位置来这时候由于齿轮12相对球壳静止，也就是齿轮12相当驱动系统的运动，基本实现了系统的全向性运动。于一个固定齿轮，而齿轮10相当于一个行星齿轮，所本文所述的机器人采用两个伺服电机作为动力输以齿轮10将绕着齿轮12的轴心做圆周运动，配重绕轴入，真正实现了系统的全向性运动，而且在特定的位置5转动。电机8和电机9分别驱动配重绕转轴2和转轴还可以实现机器人的原地自转运动。这种设计使得机器5转动，使配重中心偏离

6、球心和球壳与地面接触点的连线，从而产生偏心力矩，驱动系统运动。具体运动分析见第2部分的运动原理分析。收稿日期：2003-11-2014·开发与创新·ON方向，则利用矢量合成定律，将球心速度矢量分解，2运动原理分析[6]计算轴2与轴5的角速度大小，算出电机8与电机9的选取3个不同的初始姿态说明球形机器人的行走特性。转动速度，按照计算结果转动电机8与电机9，则球心2.1初始姿态为轴2竖直，轴5水平按照指定的ON方向运动；从而实现全方位运动。（1）电机8转动，电机2.3初始姿态为轴2处于任意位置9不动时，配重绕轴2旋转（1）电机9转动，电机8不动时，时，球形机器人整体的重心轴5方向如图7中Y*所示

7、；配重绕轴5始终落在竖直线上并通过球转动，配重重心偏移使球形机器人整体与平面的交点，所以球心将的重心偏离通过球与平面的交点所在的原地不动；由角动量守恒定竖直线，形成驱动力矩，球体转动，转图6律可知，当配重绕轴2旋转轴平行轴5并通过球与平面的接触点；Fig.6时，球壳将因反作用力矩而球心沿与轴5图2反方向绕轴2旋转，因而从垂直并平行平Fig.2外部看来，电机8的转动使面的直线运动。球形机器人原地自转，自转速度的