全对称球形机器人的设计、动力学分析及计算机仿真

摘要

随着人类活动领域的扩大和探索过程的深化，常见的轮式、腿式、履带式移动机器人在某些恶劣的环境中已难以运用。球形机器人的特殊结构使之非常适合在缺少人为干预的恶劣环境（如外星球、野外等）中运用，其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。同时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。 针对目前相关研究的不足，本文提出一种完全对称结构的球形机器人。该球形机器人由两个电机驱动两组螺旋传动机构带动球壳滚动实现直线运动，并通过改变球内部分的重心位置来实现转弯。 文中创建模型时将球壳与内部机构分离，把球内部分完全看成是球壳的驱动力，使理论分析得以合理简化，实现了利用力学的达朗贝尔-拉格朗日变分原理和非完整系统理论对球形机器人动力学的精确解算。然后根据具体运动情况分为六种工作状态在ADAMS中分别建模，并进行动力学仿真，从仿真结果可以看出对它的直线运动、转弯运动等原理分析是正确的，最后借助于ADAMS/Controls模块，将ADAMS/View建立的模型导入MATLAB/Simulink,实现了将控制信号引入ADAMS的机械系统，证明了联合仿真的可行性。