球形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)原理

1、球形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)原理一、球形機(jī)器人簡介球形機(jī)器人在許多國家的科研領(lǐng)域目前還是一個(gè)較新的概念，從獲得的十分有限的資料來看，分為兩大類。第一類由內(nèi)部獨(dú)立的動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)球殼運(yùn)動(dòng)的球形機(jī)器人雖然實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的原理很簡單，但是它的內(nèi)部驅(qū)動(dòng)部分是一個(gè)非完整系統(tǒng)，球殼的運(yùn)動(dòng)也是一個(gè)非完整系統(tǒng)，使得精確控制變得不可能。第二類通過改變系統(tǒng)重心，產(chǎn)生偏心力矩驅(qū)動(dòng)球殼運(yùn)動(dòng)的球形機(jī)器人，其機(jī)構(gòu)都很復(fù)雜，穩(wěn)定性較差，預(yù)定軌跡的控制方法也非常難以求得。因此要提高機(jī)器人的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性、低速穩(wěn)定性，以及實(shí)現(xiàn)它的精確控制，內(nèi)部驅(qū)動(dòng)機(jī)制的設(shè)計(jì)成了球形機(jī)器人設(shè)計(jì)的核心。二、二自由度擺臂驅(qū)動(dòng)式球形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的機(jī)械原理由于球體的運(yùn)動(dòng)不能借

2、助外力，只能依靠內(nèi)部驅(qū)動(dòng)，而內(nèi)部驅(qū)動(dòng)的根本要素在于使球體的質(zhì)心發(fā)生變化，因此， 如果能設(shè)計(jì)出使球體質(zhì)心發(fā)生改變的機(jī)構(gòu)，就可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)球殼運(yùn)動(dòng)的目的。而借助擺臂改變質(zhì)心位置無疑是一種最簡潔的方法。運(yùn)動(dòng)原理該結(jié)構(gòu)采用內(nèi)部二自由度擺臂驅(qū)動(dòng)，通過擺臂繞懸軸（x 軸）改變球體在Y 方向的質(zhì)心， 同時(shí)還可以通過前段擺臂繞關(guān)節(jié)（ y 軸） 的旋轉(zhuǎn)改變球體在X 方向上的質(zhì)心，如二擺臂同時(shí)運(yùn)動(dòng)，則可以實(shí)現(xiàn)球體質(zhì)心位置的任意改變，從而驅(qū)動(dòng)球體在任意方向的運(yùn)動(dòng)方案簡圖如下：圖 2-1 二自由度擺臂球形機(jī)器人示意圖建立二自由度擺臂球形機(jī)器人三維模型仔細(xì)分析其運(yùn)動(dòng)機(jī)理和各個(gè)零件的相互作用，之后根據(jù)簡圖和其運(yùn)動(dòng)原理用So

3、lidWorks 畫出各個(gè)零件，然后在裝配圖中進(jìn)行配合，最終建立如下圖所示的三維模 型：圖 2-2 二自由度擺臂球形機(jī)器人三維模型導(dǎo)入到adams中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真在SolidWorks中將上圖的三維模型保存為 X_T格式，打開adams等Ig X_T格式文 件導(dǎo)入，導(dǎo)入之后如圖所示。圖 2-3 二自由度擺臂球形機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型導(dǎo)入之后添加運(yùn)動(dòng)副，給零件定義材料屬性和質(zhì)量屬性，最后在確定合適步長和仿真時(shí)間之后進(jìn)行仿真計(jì)算，觀察運(yùn)動(dòng)情況了解其運(yùn)動(dòng)的機(jī)械原理。仿真結(jié)果顯示這種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的直線運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)彎和曲線運(yùn)動(dòng)。（仿真視頻已在上課時(shí)ppt 里展示過）三、全對稱機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的機(jī)械原理結(jié)構(gòu)示意圖

4、3-1 全對稱球形機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖全對稱球形機(jī)器人原理如圖 3-1 所示，該球形機(jī)器人包括球殼1 、左旋滾珠絲杠2 、左配重塊3 、左電機(jī) 4 、 第一向心推力軸承5 、 第一推力軸承6 、 第二推力軸承7 、 第二向心推力軸承8 、第三向心推力軸承9 、第三推力軸承10 、右配重塊11 、右電機(jī)12 、第四向心推力軸承 13、第四推力軸承14、右旋滾珠絲杠15、支承圓盤16。左電機(jī)4 的機(jī)身通過球殼 1 上的法蘭固定在球殼1 上，右電機(jī)12 的機(jī)身通過球殼1 上的法蘭固定在球殼1 上， 左電機(jī) 1 和右電機(jī)12 對稱處在球殼1 的直徑方向上。支承圓盤16 和球殼 1固聯(lián)在一起。左旋滾珠絲杠2 左

5、端出軸與左電機(jī)4 的出軸固定聯(lián)結(jié)。左旋滾珠絲杠2左端軸從左向右依次裝配第一向心推力軸承5 和第一推力軸承6 ，第一向心推力軸承5 和第一推力軸承6 的外圈裝配在球殼1 上的軸承座孔內(nèi)。左旋滾珠絲杠2 右端軸由從左向右依次裝配第二推力軸承7 、 第二向心推力軸承8 ， 第二推力軸承7 、 第二向心推力軸承8 的外圈裝配在支承圓盤16 的軸承座孔內(nèi)。左配重塊3 通過合螺母裝配在左旋滾珠絲杠2 上。 右旋滾珠絲杠15 右端出軸右電機(jī)12 的出軸固定聯(lián)結(jié)。右旋滾珠絲杠15 右端軸從右向左依次裝配第四向心推力軸承13 和第四推力軸承14 ，第四向心推力軸承13 和第四推力軸承14 的外圈裝配在球殼1 上

6、軸承座孔內(nèi)。右旋滾珠絲杠 15 左端軸從右向左依次安裝第三推力軸承10 、第三向心推力軸承9 ，第三推力軸承 10 、第三向心推力軸承9 外圈裝配在支承圓盤16 的軸承座孔內(nèi)。右配重塊11 又通過配合螺母裝配在右旋滾珠絲杠15 上。 該球形機(jī)器人在球殼的直徑方向上固定左電機(jī)和右電機(jī)，分別帶動(dòng)兩左旋滾珠絲杠和右旋滾珠絲杠。左旋滾珠絲杠和右旋滾珠絲杠旋向相反，導(dǎo)程、精度等級(jí)規(guī)格相同。由于對稱安裝，所以當(dāng)左電機(jī)、右電機(jī)轉(zhuǎn)向相反時(shí)，左電機(jī)和右電機(jī)對球殼產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩相同。假定初始狀態(tài)為絲杠軸水平，左配重塊和右配重塊對稱布置，這時(shí)只要讓左電機(jī)和右電機(jī)轉(zhuǎn)向相反，則由于左旋滾珠絲杠和右旋滾珠絲杠旋向不同，左

7、配重塊、右配重塊作對稱的運(yùn)動(dòng)，不會(huì)產(chǎn)生重心偏移，就使得球殼實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)。同時(shí)因?yàn)閮膳渲貕K設(shè)計(jì)為重心偏下，則偏重塊在絲杠中間時(shí)由于自身重力作用而僅作直線移動(dòng)，而當(dāng)移動(dòng)到行程兩端時(shí)，由于推力球軸承的作用而變?yōu)檗D(zhuǎn)動(dòng)。這樣如果直線運(yùn)動(dòng)過長，則會(huì)出現(xiàn)配重塊運(yùn)動(dòng)到絲杠行程端部的情況，這時(shí)配重塊由移動(dòng)變?yōu)檗D(zhuǎn)動(dòng)，球殼繼續(xù)直線運(yùn)動(dòng)。如果讓左電機(jī)、右電機(jī)轉(zhuǎn)向相同，則它們對球殼的驅(qū)動(dòng)力矩反向，破壞左配重塊與右配重塊的對稱，產(chǎn)生偏心力矩。當(dāng)達(dá)到所需的轉(zhuǎn)彎半徑后，改變產(chǎn)生所需運(yùn)動(dòng)方向相反力矩的電機(jī)轉(zhuǎn)向，于是球殼開始作一定曲率半徑的圓弧運(yùn)動(dòng)。如果圓弧運(yùn)動(dòng)過長，則會(huì)出現(xiàn)一邊的配重塊先運(yùn)動(dòng)到絲杠的行程端部，這時(shí)停止另一邊的電

8、機(jī)，只讓一個(gè)電機(jī)工作，球殼則繼續(xù)作該曲率半徑的圓弧運(yùn)動(dòng)，保持這種狀態(tài)，球殼就作圓周運(yùn)動(dòng)。這樣通過分別調(diào)節(jié)兩電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)和起停運(yùn)動(dòng)，就可實(shí)現(xiàn)球殼的預(yù)定軌跡的運(yùn)動(dòng)。建立全對稱球形機(jī)器人三維模型仔細(xì)分析其運(yùn)動(dòng)機(jī)理和各個(gè)零件的相互作用，之后根據(jù)簡圖和其運(yùn)動(dòng)原理用SolidWorks 畫出各個(gè)零件，然后在裝配圖中進(jìn)行配合，最終建立如下圖所示的三維模型2-2 全對稱球形機(jī)器人三維模型 導(dǎo)入到adams中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真在SolidWorks中將上圖的三維模型保存為 X_T格式，打開adams等Ig X_T格式文 件導(dǎo)入，導(dǎo)入之后如圖所示。圖 3-3 全對稱球形機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型導(dǎo)入之后添加運(yùn)動(dòng)副，給零件定義材料屬性和質(zhì)量屬性，最后在確定合適步長和仿真時(shí)間之后進(jìn)行仿真計(jì)算，觀察運(yùn)動(dòng)情況了解其運(yùn)動(dòng)的機(jī)械原理。仿真結(jié)果顯示這種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的直線運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)彎和曲線運(yùn)動(dòng)。（仿真視頻已在上課時(shí)ppt 里展示過）四、兩種球形機(jī)器人的分析與對比二自由度擺臂球形機(jī)器人從原理上看是具有很大可行性的，但是從結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)上卻顯得有些困難。首先，在狹小的球體內(nèi)部如何實(shí)現(xiàn)擺臂及其輔助部件的安裝，如電機(jī)、電池等， 擺臂的質(zhì)量從理論上分析應(yīng)該很大，否則不足以驅(qū)動(dòng)球體運(yùn)動(dòng)，但帶來的問題就是電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率的增加和質(zhì)量的增加，這些問題相互制約