橄榄球形机器人设计方案.doc

调皮的“海宝” —橄榄球型机器人的研制 项目研究小组：台晓禹 胡凯楠 指导教师: 闫莹莹 石 林 该项目获得2010年第30届北京青少年科技创新大赛一等奖 摘要： 橄榄球形机器人是一种自由移动的机器人平台，采用改变重心的方式使机器人运动。 橄榄球形机器人的运动策略设计吸收了圆柱型机器人和球形机器人共同的优点，如圆柱形机器人可以精确的直线移动，球形机器人可以全向移动并躲避障碍物等，橄榄球形机器人通过改变重心使机器人前进，并且内部加上了横向的移动，使重心横向移动，配合橄榄球的外形，使得橄榄球可以左右转弯以及前进，并且转弯时保持平衡。 外壳由两段弧形中间加上一段圆柱形组成。在机器人转弯时，与地面接触点在两段弧上，并且通过改变接触点位置来改变机器人转弯半径。机器人前进时触地部分为中间的圆柱，可以保证以直线前进。 内部结构由三个电机组成，主电机连接偏心块并居中放置，控制机器人的前进。副马达带动细绳使内部结构通过左右两边的导轮与三个滑轨横向移动，从而使机器人的重心在左右方向上有改变，机器人因重心的前后改变，会向前或向后运动。一旦重心的改变超过了外壳圆柱部分的范围，机器人将翘起。通过公式推倒与计算，可算出机器人大约翘起的角度。此时，机器人与地面的接触由面到点，机器人将绕点转向。当把内部机构移动回初位置时，机器人由翘起变为水平，又可以在另一方向上继续进行前后移动。整体操控均采用无线控制。 相比球形机器人，橄榄球形重心更低，并且内部空间利用方面也有优势；相比圆柱形机器人，可以通过调整重心转弯，扩展了运动范围，可以实现在向前向后移动的基础上左右转弯。并且当两侧弧形近似半圆时还具有类似不倒翁的特性。 橄榄球型机器人在静态和动态运动情况下都可以保持系统的平衡与稳定，且不存在失稳状态，即使是与静态或动态的障碍发生碰撞也会在经过短暂的不规则运动后恢复稳态。 关键词：橄榄球形机器人、球形机器人、全向滚动、驱动结构设计 一 、研究背景 （一）球形机器人的发展现状 球形机器人是二十世纪九十年代中期以来才出现的一种新的机器人机构形式，它是一种将运动机构和控制器件包含在一个球形壳体内的机器人系统的总称，运动方式上以滚动运动为主，通过改变系统的重心来实现球体的滚动。球形机器人的形状以球形或近似球形为主要特征，外壳采用有机玻璃、铝合金材料、塑料等坚硬的材料，主要应用于是研究、探测、娱乐等领域。球形机器人的研究国内外的情况如下： 1996年，Aarne Halme等人研制出了第一台具有真正意义上的球形运动机构，它是由一个支撑在球壳底部的单轮滚动来驱动球壳运动的球形机器人。 1997年，Antonio Bicchi等设计了球形机器人“Spheric1e”，是将一个小车放置在球体的内部，小车的每个车轮各装有一个驱动电机，在车轮的前后用弹性支撑轮进行支撑，两轮小车携带有动力源、传感器、蓄电池和控制系统，所有这些设备构成较重的质量块，小车在自身的重量作用下，将车轮与球壳之间的滑动减少到最小。 2000年，Shourov Bhat tacharya和Sunilk．Agrawal提出了球形滚动机器人设想，它的外壳采用铝合金材料，由上、下两个半球壳组成，它的驱动系统是由两个互相垂直的转子构成的，球体内的各部件对称分布，保证了机器人的重心位于球体几何形中心，有效地防止了球体发生翻转。 2002年，Amir Homayoun Javadi A．和Puyan Mojabi开发了一种全方位球形运动机器人“August”，它可以实行自主式供电，逻辑控制系统采用对称方式，一部分安装在球体内部板块，一部分安装在球体外部控制模板上，通过无线电进行连接，在球内与球壳固联了成正四面体分布的四根支柱杆，通过改变支柱杆上配重位置来驱动系统的运动。 在国内，北京航空航天大学机器人研究所先后设计了新型的月球探测车运动结构—球型智能单元和一种结构简单、控制方便的球形移动机器人BHQ-1G；北京邮电大学自动化学院机器人实验室从20OO年起开始了球形机器人的研究工作，并陆续开发出了型号为BYQ-1、BYQ-2和BYQ-3的球形机器人；哈尔滨工业大学也于2003年设计制造了一种典型的球形机器人--球形运动器。 （二）球形机器人技术的特征 目前，球形机器人研究的焦点集中在推进器装置和控制策略两个方面。在推进器装置方面目前有单轮驱动、小车驱动、万向轮驱动、电机定子反转驱动和配重体驱动，球形机器人采用了不同的驱动方式，各有特色，实现了球体的滚动。但是这些方案中没有在球体内提供一个相对稳定的平台，球壳内的所有部件随着球体一起滚动，无法作为移动式机器的搭载平台。 球形机器人具有运动全向性的特点，和地面是单一点的接触，属于纯滚动摩擦，阻力小，运动灵活，适应在崎岖不平的地面上运动，但由于运动惯性作用，在运动的方向上不稳定。 二