球形機器人運動原理

1、球形機器人運動的運動原理一、球形機器人簡介球形機器人在許多國家的科研領(lǐng)域目前還是一個較新的概念，從獲得的十分有限的資料來看，分為兩大類。第一類由內(nèi)部獨立的動裝置驅(qū)動球殼運動的球形機器人雖然實現(xiàn)運動的原理很簡單，但是它的內(nèi)部驅(qū)動部分是一個非完整系統(tǒng)，球殼的運動也是一個非完整系統(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)動球殼運動的球形機器人，其機構(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。因此要提高機器人的動態(tài)穩(wěn)定性、低速穩(wěn)定性，以及實現(xiàn)它的精確控制，內(nèi)部驅(qū)動機制的設(shè)計成了球形機器人設(shè)計的核心。二、二自由度擺臂驅(qū)動式球形機器人運動的機械原理由于球體的運動不能借

2、助外力，只能依靠內(nèi)部驅(qū)動，而內(nèi)部驅(qū)動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)計出使球體質(zhì)心發(fā)生改變的機構(gòu)，就可以實現(xiàn)驅(qū)動球殼運動的目的。而借助擺臂改變質(zhì)心位置無疑是一種最簡潔的方法。2.1 運動原理該結(jié)構(gòu)采用內(nèi)部二自由度擺臂驅(qū)動，通過擺臂繞懸軸（x軸）改變球體在Y方向的質(zhì)心，同時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，如二擺臂同時運動，則可以實現(xiàn)球體質(zhì)心位置的任意改變，從而驅(qū)動球體在任意方向的運動方案簡圖如下：圖2-1二自由度擺臂球形機器人示意圖2.2 建立二自由度擺臂球形機器人三維模型仔細(xì)分析其運動機理和各個零件的相互作用，之后根據(jù)簡圖和其運動原理用Soli

3、dWorks畫出各個零件，然后在裝配圖中進行配合，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器人三維模型2.3 導(dǎo)入到adams中進行動力學(xué)仿真在SolidWorks中將上圖的三維模型保存為X_T格式，打開adams將該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器人動力學(xué)模型導(dǎo)入之后添加運動副，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間之后進行仿真計算，觀察運動情況了解其運動的機械原理。仿真結(jié)果顯示這種機構(gòu)設(shè)計能實現(xiàn)機器人的直線運動，轉(zhuǎn)彎和曲線運動。（仿真視頻已在上課時ppt里展示過）三、全對稱機器人運動的機械原理3.1結(jié)構(gòu)示意圖圖3-1全對

4、稱球形機器人結(jié)構(gòu)圖3.2全對稱球形機器人原理如圖3-1所示，該球形機器人包括球殼1、左旋滾珠絲杠2、左配重塊3、左電機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4的機身通過球殼1上的法蘭固定在球殼1上，右電機12的機身通過球殼1上的法蘭固定在球殼1上，左電機1和右電機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左端出軸與左電機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

5、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

6、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。該球形機器人在球殼的直徑方向上固定左電機和右電機，分別帶動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、精度等級規(guī)格相同。由于對稱安裝，所以當(dāng)左電機、右電機轉(zhuǎn)向相反時，左電機和右電機對球殼產(chǎn)生的驅(qū)動力矩相同。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，這時只要讓左電機和右電機轉(zhuǎn)向相反，則由于左旋滾珠絲杠和右旋滾珠絲杠旋向不同,左配重塊、右配重塊作對稱的運動，不會產(chǎn)生重心偏移，就使得球殼實現(xiàn)直線運動。同時因為兩配重塊設(shè)計為重心偏下，則偏重塊在絲杠中間時由于自身重力作用而僅作直線

7、移動，而當(dāng)移動到行程兩端時，由于推力球軸承的作用而變?yōu)檗D(zhuǎn)動。這樣如果直線運動過長，則會出現(xiàn)配重塊運動到絲杠行程端部的情況，這時配重塊由移動變?yōu)檗D(zhuǎn)動，球殼繼續(xù)直線運動。如果讓左電機、右電機轉(zhuǎn)向相同，則它們對球殼的驅(qū)動力矩反向，破壞左配重塊與右配重塊的對稱，產(chǎn)生偏心力矩。當(dāng)達到所需的轉(zhuǎn)彎半徑后，改變產(chǎn)生所需運動方向相反力矩的電機轉(zhuǎn)向，于是球殼開始作一定曲率半徑的圓弧運動。如果圓弧運動過長，則會出現(xiàn)一邊的配重塊先運動到絲杠的行程端部，這時停止另一邊的電機，只讓一個電機工作，球殼則繼續(xù)作該曲率半徑的圓弧運動，保持這種狀態(tài)，球殼就作圓周運動。這樣通過分別調(diào)節(jié)兩電機的正、反轉(zhuǎn)和起停運動，就可實現(xiàn)球殼的預(yù)定

8、軌跡的運動。3.2建立全對稱球形機器人三維模型仔細(xì)分析其運動機理和各個零件的相互作用，之后根據(jù)簡圖和其運動原理用SolidWorks畫出各個零件，然后在裝配圖中進行配合，最終建立如下圖所示的三圖2-2全對稱球形機器人三維模型2.3導(dǎo)入到adams中進行動力學(xué)仿真在SolidWorks中將上圖的三維模型保存為X_T格式，打開adams將該X_T格式文件導(dǎo)入，導(dǎo)入之后如圖所示。圖3-3全對稱球形機器人動力學(xué)模型導(dǎo)入之后添加運動副，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間之后進行仿真計算，觀察運動情況了解其運動的機械原理。仿真結(jié)果顯示這種機構(gòu)設(shè)計能實現(xiàn)機器人的直線運動，轉(zhuǎn)彎和曲線運動。（仿真視頻已在上課時ppt里展示過）四、兩種球形機器人的分析與對比二自由度擺臂球形機器人從原理上看是具有很大可行性的，但是從結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)上卻顯得有些困難。首先，在狹小的球體內(nèi)部如何實現(xiàn)擺臂及其輔助部件的安裝，如電機、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)動球體運動，但帶來的問題就是電機驅(qū)動功率的增加和質(zhì)量的增加，這些問題相互制約；其