一种全向滚动球形机器人的运动分析与轨迹规划.pdf
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收稿日期 :2006204213
基金项目 :陕西省自然科学基金资助项目
(
2003E34
)
;西安市工业科技攻关项目
(
GG04037
)
作者简介 :李团结
(
19722
)
,男 ,教授 ,博士.
一种全向滚动球形机器人的运动分析与轨迹规划
李 团 结 , 张 学 锋 , 陈 永 琴
(
西安电子科技大学 机电工程学院 ,陕西 西安 710071
)
摘要 : 设计了一种全向滚动球形机器人的内驱动机构 ,4 台直线电机分别在 4 个空间对称的轮辐上径
向移动 ,改变系统重心位置 ,驱动球形机器人在平面上全向滚动. 基于球体纯滚动的非完整约束和步进
直线电机运动的离散特性 ,建立了球形机器人的运动模型 ,给出了控制其运动的二阶微分方程组 ,进而
提出了该球形机器人的轨迹规划算法. 结合实例进行了运动分析和轨迹规划仿真 ,表明这种运动分析模
型是正确的 ,并且简化了球形机器人的驱动装置 ,降低了能耗.
关键词 : 球形机器人 ;全向滚动 ;运动分析 ;轨迹规划 ;虚拟样机
中图分类号 : TP242 文献标识码 :A 文章编号 :100122400
(
2007
)
0120029205
Motion analysis and trajectory planning of
a spherical omnidirectional rolling robot
L I T uan2jie , Z HA N G X ue2f eng , C H EN Yong2qin
(
School of Mechano2electronic Engineering , Xidian Univ. , Xi′an 710071 , China
)
Abstract : An internal locomotion mechanism of a spherical omnidirectional rolling robot is designed.
Four linear motors move inward and outward respectively along four spokes with geometrical symmetry in
three dimensional space , which will cause the robot to roll in all directions on a flat surface by displacing
its gravity center. Based on the nonholonomic constraint arising from rolling contact and the discrete
motion nature of stepper linear motors , the motion model of the robot is established. The second2order
control differential equations are derived. Then an algorithm for trajectory planning is developed. A
numerical example is given to illustrate the methods for motion analysis and trajectory planning. The
virtual prototype technology is used to validate the effectiveness of the methods.
Key Words : spherical robot ; omnidirectional rolling ; motion analysis ; trajectory planning ;
virtual prototype
球形机器人是机器人运动方式的突破 ,所有零部件都封装在一个球壳内 ,内部驱动 ,造型新颖别致 ,行动
灵活 ,可以实现原地自旋和滚动 ,是目前智能机器人研究领域的热点问题之一.
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. 在推进器装置方面有单轮驱
动
[1]
、小车驱动
[2]
、万向轮驱动
[3]
、电机定子反转驱动
[4]
和配重体驱动
[5 ,6]
. 这些驱动方式各有特色 ,实现了球
体的滚动. 但是 ,这些方案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. 为此 ,文[7 ]基于角动量守恒原理设计了一种具有稳定平台可全向滚动的球
形机器人装置 ,第一次在球形机器人内部为各种仪器或设备提供了一个稳定的搭载平台
[8]
. 该装置中球形机
器人的滚动和转向依赖于飞轮的高速旋转 ,因此能耗较大 ,结构精度要求较高.
笔者基于动量矩定理设计了一种具有稳定平台可全向滚动的新型球形机器人装置 ,并研究了其运动分
析与轨迹规划技术. 该设计简化了球形机器人的驱动装置 ,结构简单 ,能耗小 ,定位性和复位性好 ,易于实现
连续控制且控制简单.
2007 年 2 月
第 34 卷 第 1 期
西安电子科技大学学报
(
自然科学版
)
J OU R NAL O F XI D IAN UN IV ER S I T Y
Feb. 2007
Vol. 34 No. 1
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