一种新型球形机器人的研制.docx

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一种新型球形机器人的研制

Contents

一种新型球形机器人的研制

摘要：

球形机器人是一种新型的外壳为球形的机器人，其运动方式以滚动为主。

该类机器人依靠球壳内部的驱动机构实现滚动行走，具有很强的姿态恢复能力，同时具有机动性强、耗能低等优点。

球形机器人在军事、工业和民用上都有着很广泛的应用前景，受到国内外越来越多专家和学者的关注。

本文设计了一款球形机器人，该机器人结构简单、操作方便、实用性强，可以实现姿态的实施调控，改变了以往机器人的部分缺点。

一个电机的的转动为机器人提供前进与后退方向上的驱动力，另外一个电机沿横轴左右方向运动，改变了球体的重心。

当在横轴上的电机位于中心时机器人进行直线行驶，横轴电机向一侧偏转时，重心偏移，进而使球体进行转弯。

控制部分采用常见的无线电通讯方式，通过遥控装置对机器人进行控制。

本文对所涉及的机器人进行装配，并做出了初始样机，随后进行了试验进行检验，充分体现了其运动性能的优越性。

关键词：

球形机器人配重电机运动控制无线通信

DevelopmentofaNewTypeofSphericalRobot

AbstractSphericalrobotisanewsphericalshelloftherobot,themovement-basedapproachtotheroll.Suchrobotsrelyontheinternaldrivemechanismtoachievesphericalrollingwalk,hasastrongabilitytorecovergesture,butalsohashighflexibility,andlowenergyconsumption.Therefore,thesphericalrobotinmilitary,industrialandcivilian,bothhaveaverywiderangeofapplications,moreandmorebydomesticandforeignexpertsandscholars.Thispaperdesignedarobot,therobotsimplestructure,easyoperation,practicalimplementationoftheregulationcanbeachievedattitudechangedinthepastsomeshortcomingsoftherobot.Therotationofamotorfortherobotforwardandbackwarddirectiontoprovideadrivingforce,theotheralongahorizontalleft-rightdirectionmovementmotor,changingthecenterofgravityofthesphere.Whenthemotorislocatedinthecenteronthehorizontalaxisforlineardrivingtherobot,thehorizontalaxisisdeflectedtothesideofthemotor,thecenterofgravityoffset,andthusmakeaturnsphere.Controlpartofthecommonradiocommunication,viaremotecontroldevicetocontroltherobot.Thispaperinvolvesrobotsforassembly,andmadeaninitialprototype,followedbyatestcanbetested,fullyembodiesitssportyperformanceadvantages.

Keywords:

Sphericalrobot;Counterweightmotor;MotionControl;WirelessCommunication

引言

机器人是上世纪人类历史上最伟大的发明之一，然而对于机器人的定义却有好多种，美国机器人协会对它的定义；机器人是“一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能机械手”。

日本工业机器人协会的定义：

工业机器人是“一种装备有记忆装置和末端执行器的，能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器”。

我国科学家对机器人的定义是：

机器人是一种自动化的机器，这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。

机器人技术的发展，应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果，同时，为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，是生产力发展的需求的必然结果，是人类自身发展的必然结果，人类的发展随着人们这种社会发展的情况，人们在对自然不断探讨过程中，在改造自然过程中，在认识自然过程中，实现人们对不可达世界的认识和改造，这也是人们对科技技术尤其是以机器人为代表的一大批高新产业的需求。

当前世界上有超过150万台工作在各个领域的机器人。

机器人技术最初的目的就是为了将人们从繁重劳动或简单的重复劳动解脱出来，发展的动力就是人们对美好生活的向往，因此在制造领域，机器人广泛应用于数控加工、喷漆、装配、焊接、搬运、铸造等场合，在非制造领域，也拥有一大批的医疗机器人、军用机器人、服务机器人、水下机器人、和娱乐机器人等各种用途的高新机器的广泛应用。

本文所研究的球型机器人是一种新型的，区别与常规机器人它最大的特点是没有外部的一些辅助机构，整体结构是一个球体，机械结构、控制单元均在球体内部，在运行过程中受到了很好的保护，以免受到外部影响而使机器人的工作状态受到限制。

球形机器人的运动形式是滚动，阻力小，运动灵活，运动过程中能量消耗小，具有非常好的应用前景。

鉴于种种优点，国内外对此研究炙手可热，现将其部分应用简而列之。

（1）军事侦察

此种机器人运动敏捷，体积小，隐蔽性好，人们可以在上面搭载一些军用设施进行侦查，且不会被发现，侦查完毕以后可以迅速将信息传递回去。

另外，球形机器人是一个封闭的球体，可以漂浮在海上、江上、湖面上等水域上，随着水流运动，更容易深入敌后，起到一个“水上巨眼”的作用。

（2）管道探测

由于外表是一个接近光滑的球面，球型机器人可以在各种管道中行走，利用其搭载的各种传感器、摄像设备以及测量设备对管道内的各种情况进行探测。

例如在石油的运输过程中，可以将球形机器人放到管道中检测石油在运输过程中的实时动态变化，并及时将信息反馈到系统平台上。

（3）运输工具

球形机器人也可以作为一种比较特殊的交通工具使用，比如说在水中、冰面上、雪地等场地可以运载游人、物资，在普通的马路上可以作为与自行车等类似的交通工具，为人们的生活提供便利。

（4）医疗作用

在医疗上，当球形机器人的体积比较小时，可以作为一种移动式内窥镜使用。

机器人的外壳做成透明的，内部安装高品质的摄像装置，随着食物在人体内流动而流动，最终排出人的体外，在运动的过程中，摄像设备将人体肠道内的各种状态一一拍摄下来，并且将信息存储下来供医生参考。

这种行为极大减少了人们的痛苦，为人们的生活带来极大便利。

（5）儿童玩具

球形机器人没有轮子没有腿，外形新颖，在地面上运行自如，不怕翻倒，在其上面增加各种灯光设备，滚动过程中展现精美的数字图案，必将引起儿童的浓厚兴趣。

并且球形机器人适合在各种复杂环境下工作，又能迎合孩童多动好奇的性格，此种玩具丰富了他们的业余生活，为儿童带来无尽欢乐。

由以上可以知道球形机器人具有一些独特的优点，非常广阔的应用前景，必然会在军事侦察、管道探测、交通工具、医疗保健等各方面发挥巨大的作用。

我国的机器人研究技术上个世纪70年代，上海汽车配件加工厂设计了一款车灯壳自动加工装置，通过一种冲压机械手来实现。

当然，研究球形机器人的院校机构及人员比较多，有哈尔滨工业大学、北京邮电大学、西安电子科技大学、北京理工大学、成都大学、北京航空航天大学、国防科技大学和上海交通大学，但是科研实力及科研成果主要集中在哈尔滨工业大学、北京邮电大学及西安电子科技大学。

哈尔滨工业大学最早在2002年就研制了一种“球形运动器”的移动式球形机器人，如下图所示

图1哈尔滨工业大学研制的“球形运动器”

哈工大研制的此种运动器是同两个电机共同控制的，并且两个电机是同轴的，一个电机为运动器提供驱动力，另外一个电机实现转向这种运动方式。

其中转向电机带动伞齿轮在圆形齿圈上滚动，控制球体转动方向，驱动电机外壳通过支撑架与蓄电池固联，电机定子固定在机器人壳体上，提供滚动所需的驱动力矩。

球形运动器的导线以及控制装置均被封装于球壳内部，不受外部环境控制，保证了很好的独立性。

球壳选用的材料是透明的玻璃，保证在安装过程中精准配合，能够对球形运动器在运动过程中的运行状态及内部结构进行实时监测。

2005年，西安电子科技大学的李团结教授等人提出了一种内置稳定平台的球形机器人，这种稳定平台无论球形机器人在何种状态下都会保持水平，这就为在球体内部搭载一些实验设备提供一个良好的平台，这是一个极大的进步。

内置稳定平台的球形机器人的结构图如下图所示

图2西安电子科技大球形机器人结构示意图图3轮辐结构示意图

西安电子科技大研制的这款球形机器人是由球外壳、内球壳、稳定平台以及轮辐构成的，四个轮辐在空间形成正四面体结构，每一个轮辐上都有一个直线步进电机，通过步进电机的运动从而改变球体的重心，进而使球进行运动。

在内球壳内部还有一个稳定平台，无论球体的运动状态如何，稳定平台始终保持水平，可以用来搭载一些仪器设备。

2007年，上海交通大学的莫锦秋等设计了一种完全对称结构的球形机器人。

并且此团队也对该球形机器人的动力及仿真进行了研究，其结构示意图如图所示

图4上海交通大学研制的球形机器人

这款球形机器人由一个外球壳、两个电机、两个丝杠、两个配重块及一个支承圆盘组成，是一个完全对称结构。

两个电动机的转动提供了该机器人前进方向与后退方向的动力，丝杠和电动机相连，丝杠上面配有配重块，且两个丝杠的螺纹旋向相反。

当配物块在丝杠中间时，球形机器人作直线运动，当配重块偏向右侧时，重心右移，球体转向右侧，当配重块移动到左侧时，重心左移，球体向左转弯。

此外，北京航空航天大学等其他几所研究院所研制的球形机器人如下

图5北京邮电大学研制的BYQ—4图6北航研制的高机动全向运动球形机器人

球形机器人

在1996年L.Ferrière和UniversitéCatholiquedeLouvain等采用通用了一种通用轮代替了单轮用以作为内驱动设施，这种机器人人们只是把它的驱动方式改变了，其他方面并没有进行改进。

然而在1997年，意大利比萨大学的A.Bicchi等人在球壳的内部放置了一辆小车，通过车轮的转动改变球体的质心，同样让机器人动了起来。

此外，世界上还有许多的球形机器人采用类似的原理，但是也没能解决球体全向运动这样一个问题。

就在同一年，比萨大学的A.Bicchi等人构想出了全新的球形机器人“Sphericle”并做出了Sphericle的样机，同时也画出了它的三维仿真模型，如下图所示

图7Sphericle的三维仿真模型图8Sphericle的物理样机照片

在结构上它是将一个两轮小车置于球体内部，每个车轮独立驱动，小车在球体内可以完成前进和转向两种运动。

在设计上要求小车质量相对于球壳质量越大越好，这样不仅能够减小小车车轮与内球壳面之间的相对滑动，而且会使小车速度尽量接近球心平移速度。

在2002年，伊朗的一位学者A.H.Javadi与P.Mojabi提出了一种可以全方位运动的新型球形机器人“August”。

August是由四个辐条组成的，四个辐条形成正四面体结构，并且球心和中心重合，运动时每一个辐条上的步进电机带动质量块沿着各自的丝杠来回运动，从而改变球体的重心，迫使球体运动，控制系统位于球体内部，信息传递方式为无线电方式，这种设计结构与中国西安电子科技大学研制的球形机器人有比较多的相似之处。

其结构图如图所示

图9August机器人实物模型图10August机器人轮辐结构图

在2002年3月29日，在举办于日本横滨的一个机器人博览会上，日本公司Sony研制了一款新型的的“安慰型生命体”球形机器人，并把它命名为“Q.Taro”（球太郎）。

在此前，日本Sony球型机器人，其原型如图

图11SonyRobot的原型图12SonyRobot的原型

球太郎机器人是一款最新研制的智能型球形机器人，其结构图如图所示

图13日本Sony公司研制的球太郎机器人

这种重为0.9千克直径为17厘米的球形机器人不是像通常那样依靠遥控器操作，却是依靠球体内部的计算机系统自主运行控制而实现的。

人们在球太郎上面增加了许多传感器，用来对外部世界的各种状态进行识别，比如说球太郎上面有温度传感器，用来感触人类，并且追随人类的行为举止。

同时，球太郎上面拥有语音识别系统，可以与人们进行十多种语言的交流，自身携带的电量可供使用长达三小时，当电量不足时机器人本身可以回到充电处自主进行充电，是一种比较智能的高端机器人。

美国新墨西哥冶金技术研究所的佩内洛普波士顿博士和麻省理工学的斯蒂芬·杜伯斯基博士正在研制一批只有网球大小的微型机器人。

这些采用弹跳方式运动的机器人携带了微型照相机、光谱分析仪和其他多种传感器，重量只有“勇气”号和“机遇”号火星车的千分之一，未来将有可能同时在火星表面投放上千个这样的球形机器人，以便对峡谷和火山口等复杂地形区进行探测.

图14微型球形机器人

回顾机器人的发展史，放眼国内外，在许多国家球形机器人科学研究还比较新，球形机器人的的发展还处在实验室阶段，还不能真正的走入寻常百姓家。

经过查阅相关资料我们发现通过破坏内部驱动设备（InsideDriveUnit，IDU）的运动系统平衡而使球体运动的。

通过改变IDU的速度和方向就完全可以改变球形机器人的速度和方向。

由于IDU拥有不同的种类，即内部驱动装置不同，根据当今世界上已出现的球形机器人，大致可以划分为两大类：

第一类，通过在球体内部放置独立的驱动系统。

尽管原理和实现方法都比较简单，然而放置于内部的独立驱动装置是一个非完整系统，与之伴随的球壳运动也成了一个非完整系统，这就使得我们无法对其进行精确控制。

第二类，通过改变球体的重心，用产生的偏心力矩来驱动外部球壳运动的另一种球形机器人。

这种机器人机构比较复杂，系统的稳定性也比较差，其运动规律以及控制运动轨迹的方法也难以把握。

因此要设计一款新型高性能的球形机器热并且对其实现精确控制，核心就是对IDU的设计。

基于以上内容的分析，对于当今球世界形机器人结构复杂、难以控制、稳定性不足等方面的问题，等方面的不足，本文提出了下面一种设计方案。

一个电机的的转动为机器人提供前进与后退方向上的驱动力，另外一个电机沿横轴左右方向运动，改变了球体的重心。

当在横轴上的电机位于中心时机器人进行直线行驶，横轴电机向一侧偏转时，重心偏移，进而使球体进行转弯。

控制部分采用常见的无线电通讯方式，通过遥控装置对机器人进行控制。

本文所设计的球形机器人具有以下优点：

（1）结构简单，所需成本比较低，便于实现；

（2）重心始终在球体的中心下面，结构稳定，因此它的系统稳定性好，可以在多种路面上实现不同的运动方式；

（3）球体内部有两个电机，一个控制直线运动，另外一个控制转向运动，操作方式简单，运动灵活，转弯半径小，对电机的力矩要求比较低，便于点击的选择；

（4）在横轴两端可以搭载一些实验设备，如摄像头、传感器、电源的充电接口等，从而更大限度的发挥机器人的利用价值；

（5）这种机器人采用一种不透水的透明材料，球壳是完整的一体，与外部隔绝，具有很好的密封效果，可以使机器人在水上漂浮，活动范围更加广泛，应用性更强。

只有这样，球形机器人才能更好地完成人们交给的任务，才会真正走出实验室，更好地为人们服务。

本文在前人关于球形机器人的研究基础上，提出了一种新型的球形机器人。

这种机器人结构原理简单，便于控制。

本文所研究的机器人在结构上更加简洁，原理与上海交通大学研制的全对称球形机器人相似，本文研究的没有采用对称结构，只是一个电机做配重改变球体重心，操作起来更加方便。

前言，主要讲述了球形机器人的发展历程以及当今国内外主要的研究机构对球形机器人的研究状况，让人们对球形机器人有一个宏观的把握。

第一部分主要阐述了球形机器人的总体结构设计，包括机械结构的设计，控制系统的设计。

在机械结构的设计过程中，本文详细阐述了球体的球壳设计、内部结构的设计；在控制系统上，本文采用常用的无线遥控方案，结合单片机，对球体的运动状态进行实时控制。

另外，本文给出了机械结构部分的三维图像以及控制部分的主要电路设计图。

第二部分主要通过力学分析对球体的运动性能进行检验。

在滚阻力偶矩、最小转弯半径、最大穿越障碍高度以及最大爬坡角上分别进行分析，通过计算得出了相应的数据。

从而对机器人的总体性能上有了进一步的了解。

第三部分中，对本文所设计的球形机器人进行了总结，本文简要总结了球形机器人的优点及缺点，在未来的改进方向上提出了新的观点。

对未来机器人的发展方向进行展望，本文相信，在不久的将来，一定会有更加优秀的机器人与人们见面，人类的生活会更加美好。

1球形机器人的总体结构设计

1.1机械结构设计方案

本文在设计球体时参照了国内外有关的设计方案，首先用Solidworks软件画出球体内部各个零件的三维图，然后进行装配。

在此基础上，本文做出了球形机器人的样机。

下面本文详细讲述球体的每一个机械结构的设计方案。

1.1.1球壳的设计

本文在对球壳进行设计的过程中，主要考虑下面几种因素。

第一，球壳是始终唯一与土地相接触的物质，这就要求球壳必须有足够的强度，坚固耐用。

第二，球形机器人要采用遥控方式，这就要求球壳所用的材料不能对传输系统产生干扰。

第三，为了便于对内部状态进行实时观测，球壳材料最好选用有机透明玻璃，但由于经费限制，本文所采用的为地球仪外壳。

球形机器人的球壳如下图

图15球形机器人球壳

1.1.2框架结构设计

设计时，本文将球形机器人的框架结构分割成多个部分，然后对每一部分进行详细设计。

由于要考虑多方面的因素，本球形机器人的重心非常靠近底部，这就要求框架结构的质量尽可能的小，在考虑成本的情况下，选用铝合金材料。

但由于本文有其他因素限制，在选用材料时，选择钢条。

（1）横轴

图16横轴的三维图

以上是横轴的三维图，对整个球体来讲，对横轴的要求比较高，要求其在运动过程中承受的力也比较大，因此本机器人采用铝合金材料，既能提高强度要求，又能满足重量小的原则。

图17横轴的二维图

（2）配重部分设计

本文所设计的新型球形机器人的正确实现，离不开配重部分。

实际上，本文的机器人重心非常低，完全可以采用驱动电机、电源、转向电机来实现。

当然，配重部分要求占用空间体积小，重量大，能够保证球体的正常运转，才能保证运动的灵活性以及精准性。

（3）驱动部分设计

在球体上装配完横轴之后，需要在横轴上装配电机，其结构原理如图所示

图18横轴驱动电机工作原理图

（4）总体实物图

经过一系列的改进，本文做的球形机器人的实物图及内部结构图如下图，控制转弯的驱动电机被固定在了横轴上，电动机的轴通过细线环绕，为电机提供了支撑，同时保证了运动的稳定性。

图19球形机器人实物图

1.2球形机器人的控制设计方案

本文所设计的球形机器人采用常见的无线电传输方案，通过遥控器上的前进、后退、左拐、右拐等按键来控制球体的前进、后退、左拐、右拐等行为。

总的控制部分又是由许多小的分模块来组合的，本文采用无线电控制。

无线遥控是指实现对被控目标的非接触遥远控制，在工业控制、航空航天、家电领域应用广泛，无线遥控和无线传输系统与有线和红外设备相比提高了移动自由度，由此使无线遥控装置和无线传输系统在工业领域的应用越来越多。

遥控系统一般由发射器和接收器两部分组成，发射器一般由指令键、指令编码电路、调制电路、驱动电路、发射电路等几部分组成，指令编码电路产生相应的指令编码信号，编码指令信号对载体进行调制，再由驱动电路进行功率放大后由发射电路向外发射经过调制的指令编码信号，接收器一般由接收电路、放大电路、解调电路、指令译码电路、驱动电路和执行电路几部分组成，接收电路将发射器发射的已调制的编码指令信号接收下来，并进行发大后送解调电路，解调电路将以调制定编码解调下来，即还原为编码信号，指令译码器将编码指令信号进行译码，最后由驱动电路来驱动执行电路实现各种指令的操作，相对电缆连线的优点在于安装成本低（无需布线、不用地下工程、没有电缆槽），无线遥控传输提高了灵活性并降低了维护成本。

1.2.1控制编码模块

在实践中，本文最后确定用芯片PT2262/2272作为我们球形机器人控制系统的编码、解码芯片，以单片机SPCE061A为平台。

在运行过程中，编码信号由芯片PT2262发出且由数据码、地址码、同步码组成一个完整的码字，接收到信号后的解码芯片PT2272，在经过两次核对后，VT脚此时会输出高电平，此时与之相对应的数据脚同样会输出高电平。

假如人们在发送端一直用手按住按键，则编码芯片就会连续工作，连续发射。

图20控制编码原理图

1.2.2调制发射模块

当发射机没有按键按下时，其17脚为低电平，所以315MHz的高频发射电路不工作，当有按键按下时，其第17脚输出经调制的串行数据信号，当17脚为高电平期间315MHz的高频发射电路起振并发射等幅高频信号，当17脚为低平期间315MHz的高频发射电路停止振荡，所以高频发射电路完全受控于PT2262的17脚输出的数字信号，从而对高频电路完成幅度键控（ASK调制）相当于调制度为100％的调幅。

图21调制发射原理图

1.2.3接收调制模块

在设计过程中，接收调制的模块的原理图如下图所示

图22接收机等效电路图

1.2.4电机驱动模块

由于在球形机器人内部，本文所设计的机器人采用了两个电机进行驱动，为了更加方便的实现，本文采用由双极性管组成的H桥电路，使用这种电路，能够简单地实现方向和转速的控制，并且选用的电子开关具有很快的速度，系统的稳定性也得到了很大的提高。

其电路原理图如下图所示

图23电动机控制原理图

1.2.5球形机器人控制流程

调制发射

接收解调

PT2272解码

SPCE061

2球体的运动性能分析

对球形机器人的机械部分以及控制部分设计完之后，就要对球体的总体结构及受力进行分析，在此基础上，本文假设球壳与地面之间只拥有滚动摩擦，球壳的质量为

，球形机器人的总质量为

，直线行走部分的质量为

，质心与球心之间的距离为

，转弯部分的质量为

，且

，质心和球心在竖直方向上的距离为

，假设左右之间最大的行走间距为2d。

2.1滚阻力偶矩分析

由于接触部分变形产生的阻碍物体滚动的力偶称为滚动摩阻力偶。

滚动摩阻力偶的大小是检验球体性能好坏的重要指标，本文通过力学知识对球形机器人的滚动摩阻力偶进行分析，球体的受力分析示意图如下图所示