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球形机器人运动原理

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球形机器人运动的运动原理

一、球形机器人简介

球形机器人在许多国家的科研领域目前还是一个较新的概念，从获得的十分

有限的资料来看，分为两大类。第一类由内部独立的动装置驱动球壳运动的球形

机器人虽然实现运动的原理很简单，但是它的内部驱动部分是一个非完整系统，

球壳的运动也是一个非完整系统，使得精确控制变得不可能。第二类通过改变系

统重心，产生偏心力矩驱动球壳运动的球形机器人，其机构都很复杂，稳定性较

差，预定轨迹的控制方法也非常难以求得。因此要提高机器人的动态稳定性、低

速稳定性，以及实现它的精确控制，内部驱动机制的设计成了球形机器人设计的

核心。

二、二自由度摆臂驱动式球形机器人运动的机械原理

由于球体的运动不能借助外力，只能依靠内部驱动，而内部驱动的根本要素

在于使球体的质心发生变化，因此，如果能设计出使球体质心发生改变的机构，

就可以实现驱动球壳运动的目的。而借助摆臂改变质心位置无疑是一种最简洁的

方法。

2.1运动原理

该结构采用内部二自由度摆臂驱动，通过摆臂绕悬轴（x轴）改变球体在Y

方向的质心，同时还可以通过前段摆臂绕关节（y轴）的旋转改变球体在X方

向上的质心，如二摆臂同时运动，则可以实现球体质心位置的任意改变，从而驱

动球体在任意方向的运动方案简图如下：

图2-1二自由度摆臂球形机器人示意图

2.2建立二自由度摆臂球形机器人三维模型

仔细分析其运动机理和各个零件的相互作用，之后根据简图和其运动原理用

SolidWorks画出各个零件，然后在装配图中进行配合，最终建立如下图所示的

三维模型：

图2-2二自由度摆臂球形机器人三维模型

2.3导入到adams中进行动力学仿真

在SolidWorks中将上图的三维模型保存为X_T格式，打开adams将该X_T

格式文件导入，导入之后如图所示。

壳产生的驱动力矩相同。假定初始状态为丝杠轴水平，左配重块和右配重块

对称布置，这时只要让左电机和右电机转向相反，则由于左旋滚珠丝杠和右旋滚

珠丝杠旋向不同，左配重块、右配重块作对称的运动，不会产生重心偏移，就使

得球壳实现直线运动。同时因为两配重块设计为重心偏下，则偏重块在丝杠中间

时由于自身重力作用而仅作直线移动，而当移动到行程两端时，由于推力球轴承

的作用而变为转动。这样如果直线运动过长，则会出现配重块运动到丝杠行程端

部的情况，这时配重块由移动变为转动，球壳继续直线运动。

如果让左电机、右电机转向相同，则它们对球壳的驱动力矩反向，破坏左配

重块与右配重块的对称，产生偏心力矩。当达到所需的转弯半径后，改变产生所

需运动方向相反力矩的电机转向，于是球壳开始作一定曲率半径的圆弧运动。如

果圆弧运动过长，则会出现一边的配重块先运动到丝杠的行程端部，这时停止另

一边的电机，只让一个电机工作，球壳则继续作该曲率半径的圆弧运动，保持这

种状态，球壳就作圆周运动。这样通过分别调节两电机的正、反转和起停运动，

就可实现球壳的预定轨迹的运动。

3.2建立全对称球形机器人三维模型

仔细分析其运动机理和各个零件的相互作用，之后根据简图和其运动原理用

SolidWorks画出各个零件，然后在装配图中进行配合，最终建立如下图所示的

三维模型

图2-2全对称球形机器人三维模型

2.3导入到adams中进行动力学仿真

在SolidWorks中将上图的三维模型保存为X_T格式，打开adams将该X_T

格式文件导入，导入之后如图所示。

图3-3全对称球形机器人动力学模型

导入之后添加运动副，给零件定义材料属性和质量属性，最后在确定合适步长和

仿真时间之后进行仿真计算，观察运动情况了解其运动的机械原理。仿真结果显

示这种机构设计能实现机器人的直线运动，转弯和曲线运动。

（仿真视频已在上课时ppt里展示过）

四、两种球形机器人的分析与对比

二自由度摆臂球形机器人从原理上看是具有很大可行性的，但是从结构的实