2022年球形机器人运动原理 .pdf

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1、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

2、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。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精选学习资料 -

3、- - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 7 页SolidWorks 画出各个零件， 然后在装配图中进行配合， 最终建立如下列图所示的三维模型：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，导入之后如下图。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 7 页图 2-3 二自由度摆臂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

4、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 里展示过三、全对称机器人运动的机械原理结构示意图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 7 页图 3-1 全对称球形机器人结构图全对称球形机器人原理如图 3-1 所示，该球形机器人包括球壳 1 、左旋滚珠丝杠 2 、左配重块 3 、左电机 4 、第一向心推力轴承 5 、第一推力轴承 6 、第二推力轴承 7 、第二向心推力轴承 8 、 第三向心推力轴承 9 、 第三推力轴承 10

5、 、 右配重块 11 、 右电机 12 、第四向心推力轴承 13 、第四推力轴承 14 、右旋滚珠丝杠 15 、支承圆盘 16 。左电机 4 的机身通过球壳 1 上的法兰固定在球壳 1 上，右电机 12 的机身通过球壳 1 上的法兰固定在球壳 1 上，左电机 1 和右电机 12 对称处在球壳 1 的直径方向上。支承圆盘 16 和球壳 1 固联在一起。左旋滚珠丝杠 2 左端出轴与左电机 4 的出轴固定联结。 左旋滚珠丝杠 2 左端轴从左向右依次装配第一向心推力轴承 5 和第一推力轴承 6 ， 第一向心推力轴承5 和第一推力轴承 6 的外圈装配在球壳 1 上的轴承座孔内。 左旋滚珠丝杠 2 右端轴

6、由从左向右依次装配第二推力轴承 7 、第二向心推力轴承 8 ，第二推力轴承 7 、第二向心推力轴承 8 的外圈装配在支承圆盘 16 的轴承座孔内。左配重块 3 通过合螺母装配在左旋滚珠丝杠 2 上。 右旋滚珠丝杠 15 右端出轴右电机 12 的出轴固定联结。右旋滚珠丝杠 15 右端轴从右向左依次装配第四向心推力轴承 13 和第四推力轴承 14 ，第四向心推力轴承 13 和第四推力轴承 14 的外圈装配在球壳 1 上轴承座孔内。右旋滚珠丝杠 15 左端轴从右向左依次安装第三推力轴承 10 、 第三向心推力轴承9，第三推力轴承 10 、第三向心推力轴承 9 外圈装配在支承圆盘 16 的轴承座孔内。

7、右配重块 11 又通过配合螺母装配在右旋滚珠丝杠 15 上。 该球形机器人在球壳的直径方向上固定左电机和右电机，分别带动两左旋滚珠丝杠和右旋滚珠丝杠。左旋滚珠丝杠和右旋滚珠丝杠旋向相反，导程、精度等级规格相同。由于对称安装，所以当左电机、右电机转向相反时，左电机和右电机对球壳产生的驱精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 7 页动力矩相同。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

8、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。当到达所需的转弯半径后，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，

9、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， 最终建立如下列图所示的三维模型精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 7 页图 2-2 全对称球形机器人三维模型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，导入之后如下图。精选

10、学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 7 页图 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比照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，但是从结构的实现上却显得有些困难。首先，在狭小的球体内部如何实现摆臂及其辅助部件的安装，如电机、电池等，摆臂的质量从理论上分析应该很大，否则不足以驱动球体运动，但带来的问题就是电机驱动功率的增加和质量的增加，这些问题相互制约；其次，球体无法实现高速运动，因为摆臂和其他部件的安装都在一起，必然制约摆臂的运动，从而限制球体的整体运动速度。和以上二自由度摆臂球星机器人方案比较，该方案具有结构简洁、占用空间小，完全对称、稳定性更好，可控性强，易于分析和改良，以及轨迹规划和控制算法设计更容易实现等优点。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 7 页