基于六螺旋桨和啮合转子的SPIROS全方位球形机器人的设计、建模与控制_Design, Modelling and Control of SPIROS The Six Propellers and Intermeshing Rotors Based Omnidirectional Spherical Robot.pdf
【基于六螺旋桨和啮合转子的SPIROS全方位球形机器人的设计、建模与控制】这篇论文探讨了一种新型的全方位球形机器人——SPIROS（Six Propellers and Intermeshing Rotor based Omnidirectional Spherical Robot）。SPIROS机器人采用独特的八面体结构，配置了六个相互啮合的旋转空气推进器，这些推进器被安置在一个Goldberg多面体形状的球形网格壳内，旨在解决传统球形机器人在垂直运动和陡峭斜坡行驶方面存在的问题。
球形机器人（SRs）自过去几十年来已有多项设计和控制方法的发展，但现有的驱动机制在应对垂直运动和陡峭倾斜操作时仍存在挑战。SPIROS的设计创新在于其空气动力推进系统，这提高了障碍物规避和爬坡能力。通过使用连续滚动球形机器人（CR-SR）的运动学模型，包括三轴滚动（3R-SR）、双轴滚动（2R-SR）以及滚动和转向（RT-SR）的球形机器人模型，SPIROS的动态模型得以推导。
为了实现路径跟踪控制，论文提出了一种基于纯追踪算法的策略。MATLAB和Simulink的仿真验证了所开发模型的准确性和所提议控制方案的有效性。关键词包括：球形机器人、全方位机器人、啮合转子、螺旋桨、建模、机械设计、控制、数学模型。
一、引言
球形机器人以其对称的几何结构，具有出色的移动性和操作性，比其他类型的移动机器人更具优势。SPIROS的独特设计不仅考虑了机械结构的创新，也注重了控制策略的优化，使得机器人能在各种复杂环境中有效运行。通过使用空气动力推进器，SPIROS能够在不接触地面的情况下进行全方位移动，增强了其在多变地形中的适应性。
二、SPIROS的设计
SPIROS的核心是其六螺旋桨的八面体布局，这种设计允许机器人在三维空间中自由移动，无论是向上、向下还是在水平面上。六螺旋桨的相互作用提供所需的扭矩和推力，使机器人能够实现精确的定位和运动控制。
三、建模与控制
论文中，SPIROS的动态模型是基于现有CR-SR模型推导的。这些模型为设计提供了理论基础，使开发者能够理解机器人如何响应不同输入并进行运动预测。通过将这些模型与控制算法相结合，如纯追踪算法，SPIROS可以实现精确的路径跟踪，这对于导航和避障至关重要。
四、仿真验证
MATLAB和Simulink是进行控制算法和系统模型验证的常用工具。论文中通过这两种软件进行了仿真测试，以确保SPIROS的模型和控制策略在实际应用中能够有效地工作。
五、未来展望
尽管SPIROS在球形机器人领域取得了一定的突破，但仍有待进一步研究的问题，如提高推进效率、降低能耗、增强环境感知能力和自主决策能力等。未来的研发工作可能会集中在这些方向，以推动球形机器人技术的进一步发展。
SPIROS全方位球形机器人通过其创新的驱动机制和控制策略，展示了在复杂环境中高效移动的潜力。这种设计思路为未来球形机器人的研究提供了新的视角，可能引领新一轮的技术革新。
