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1、上海交通大学硕士学位论文全对称球形机器人的设计、动力学分析及计算机仿真姓名：王广申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：莫锦秋20070201上海交通大学硕士学位论文 摘要 II DESIGN, DYNAMIC ANALYSIS AND COMPUTER SIMULATION OF A SPHERICAL ROLLING ROBOT ABSTRACT With the expansion of the human beings activity and exploration, mobile robots become more important. But mobile robots
2、, traditionally designed with wheels and track, are difficult to move in some critical environment. The spherical construction offers extraordinary motion properties in cases where turning over or falling down will bring risks during motion. A spherical rolling robot, which is a nonholonomic system
3、and has full capability to recover from collisions with obstacles， can be used to survey unstructured hostile industrial environment or explore other planets. In addition, a spherical rolling robot, can quickly move as a wheeled robot and also can come over obstacles as a legged robot. The spherical
4、 robots designed before have some shortcomings, so a novel spherical rolling robot is presented in this paper. The robot is designed symmetrically, with every component placed diametrically opposite on the sphere. It moves ahead by two motors ,which are attached to the shell, driving the correspondi
5、ng screw transmission mechanism respectively, and turns by changing the position of the barycenter. The mathematical model of the robot is simplified by separating the inside drive unit as the driving force of the shell, while the spherical rolling robot dynamics is precisely analyzed by using DAlem
6、bert Lagrange principle and nonholonomic system theory. Then its six different model of actual motion is created by ADAMS and its motion capability, including moving in straight line or circular arc, is also proved to be good through emulated by ADAMS. Finally, the model is co-simulated by ADAMS and
7、 MATLAB. Keywords：spherical rolling robot, nonholonomic system, dynamic modeling, software simulation 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 王广 日期： 2007 年 3
8、月 3 日 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 王广 指导教师签名：莫锦秋 日期： 2007 年 3 月 3 日 日期： 2007 年 3 月 3 日 上海交通大学硕士学位
9、论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论第一章 绪论 1.1 机器人概述机器人概述 人们一提起机器人，往往联想起科幻电影和电视中虚构的人形机器形象，他们外形如人，智力超群。在当今工业和科研领域中所使用的机器人，一般不具有人的外貌和全部功能， 而是一类能代替人从事多种工作的高度灵活的自动化机械的统称。目前世界上对机器人尚无统一的严格定义，美国机器人协会（Robot Institute of American）定义机器人为： “机器人是一种用来移动材料、零件、工具或特定装置的可重新编程的多功能操作器， 可以通过改变编程运动来执行不同的任务。 ”43目前机器人已广泛地应用于汽车、 机械加工、 电子及塑料
10、制品等工业领域中，随着科学与技术的发展，机器人的应用领域也随之不断扩大。在工业生产中，弧焊机器人、点焊机器人、装配机器人、喷图机器人及搬运机器人等工业机器人都已被大量采用。由于机器人对生产环境和作业要求具有很强的适应性，用来完成不同生产作业的工业机器人越来越多。机器人将成为人类社会生产活动的“主力军” ，人类将从繁重的、重复单调的、有害健康和危险的生产劳动中解放出来。另外机器人也成为人类探索与开发宇宙、海洋和地下未知世界的有力工具。各种舱内作业机器人、 登陆星球的探测车和作业车等被送上天去开发和利用外界星球的物质资源。水下机器人便用于海底探索与开发、海洋资源开发与利用、水下作业与救生等。在未来
11、战争中，机器人将发挥重要作用，如扫雷机器人、侦察机器人等。可以说，在当今世界上，机器人的应用已无处不在。 1.2 课题的研究背景课题的研究背景 机器人是人类 20 世纪最伟大的发明之一，近十年机器人的种类越来越多，智能也越来越高。移动机器人是机器人中的一个重要的分支，它指机器人本身不固定，能够在大范围运动的机器人。移动机器人的种类很多，按驱动机构分有轮式、腿式、履带式等。 随着人类活动领域的扩大和探索过程的深化， 对能够在不平整的复杂地形中运动的移动机器人的需求也日益强烈，常见的轮式、腿式、履带式移动机器人在这些恶劣的环境中已难以运用。如果可以设计出一种类似不倒翁的移动载体，就上海交通大学硕士
12、学位论文 第一章 绪论 2 可在恶劣环境下都可以保持系统的平衡与稳定，且不存在失稳状态，甚至即使是与静态或动态的障碍发生碰撞也可以在经过短暂的自身调整后恢复稳态， 于是以滚动方式行走， 运动动力依靠内部驱动装置和外部摩擦力提供的球形或类球形机器人应运而生10。 球形机器人既具有像轮式移动机器人的快速行走能力， 又能像腿式机器人一样，在不平整的复杂地形中运动6，同时运动连续性强，具有良好的运动方向可控性，是一种十分理想的运动载体，国内外已有一些学者展开了对球形移动机器人机构的探讨，以下将对现有的研究作一简要概述。 1.3 国内外研究现状国内外研究现状 球形机器人的研究目前开展得并不广泛，按特征来
13、分，现有的这方面的设计主要有两类： 一、由内部独立的移动装置驱动球壳运动。 1996 年，Helsinki University of Technology 的 Aarne Halme 等首次制作了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1。如图 1-1所示，这个机器人由（1）球壳、 （2）控制盒、 （3）单轮、 （4）操纵杆、 （5）支撑轴、 （6）弹簧、 （7）平衡轮组成。单轮通过固定在操纵杆上的电机驱动，而控制盒内的电机又可以转动操纵杆，从而实现单轮转向。 图 1-1 单轮机器人的结构简图 Figure 1-1 Structure of the single wheel r
14、obot 而后如图 1-2(a)所示，Universit Catholique de Louvain 的 L.Ferri re等采用通用轮代替单轮作为内驱动装置同样实现了系统的运动2。如图 1-2（b）所示，Bicchi 等放置一辆小车于球壳中来驱动球壳，也完成了机器人的运动3。 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 3 （a） (b) 图 1-2 球形机器人例子 Figure 1-2 Samples of spherical rolling robots 二、 通过改变系统重心，产生偏心力矩驱动球壳运动。 如图 1-3(a)所示， 1999 年 Ranjan Mukherjee 等制作了一
15、种配重沿辐条运动改变重心位置的球形机器人4；2002 年 Javadi 和 Mojabi 在球内与球壳固联了成正四面体分布的四根支柱杆5，如图 1-3(b)所示，通过改变支柱杆上配重位置来驱动系统的运动。 （a） (b) 图 1-3 球形机器人例子 Figure 1-3 Samples of spherical rolling robots 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 4 最近国内的北京邮电大学以孙汉旭教授为首的研究小组承担的国家自然科学基金项目的研究，经过几年的艰苦努力，也开发出了拥有我国自主知识产权、国内首创且具有国际先进水平的球形机器人。该球形机器人, 通过电机驱动配重绕两个
16、互相垂直的轴转动来改变重心位置，实现了机器人的全方位运动。 图 1-4 北京邮电大学研制的球形机器人 Figure 1-4 The spherical rolling robot of BeiJing Youdian univ. 如图 1-4 所示，电机 a 通过 4 和 5 输出转动，电机 b 通过 10 输出转动。铝框与球壳轴承连接，两端连接点中心的连线通过球心，构成长轴即转动轴 A；电机 b 中心线与短轴中心线共线且通过球心， 构成短轴即转动轴 B， 转动轴 B 垂直转动轴 A。电机 a 转动使配重相对球壳绕转动轴 A 转动，电机 b 转动使配重相对于铝框绕转动轴 B 转动，从而配重能够绕互相垂直的两个轴向转动10。 上面给出的两大类六种球形机器人，在研究上都没有达到满意的结果。滚动单轮只对理想状态下的二维运动进行了初步分析。又由于单轮驱
