全向轮驱动球形机器人设计开题报告
全向轮驱动球形机器人设计开题报告
1.课题的意义
从上世纪60年代开始，机器人开始逐步进入工业生产领域。各种专业类型的机器人在工业生产中的使用，极大的降低了工人的劳动强度，提高了生产效率。随着现代技术的不断发展，机器人已经开始从工业生产领域向生活、军事、娱乐等不同领域发展，并不断地改变着人类的生活。[1]近些年来，移动机器人一直是发展最活跃的科学技术领域之一。传统移动机器人按照移动方式大体上可以分为足式移动机器人和轮式移动机器人，其中足式移动机器人因其足式设计，具有良好的越障能力，但其本身也存在机构自由度多，控制复杂，稳定性差等缺点：轮式移动机器人具有快速稳定的移动能力和较大的承载能力等优点，但轮式结构的地形能够快速移动，又可以适应各种崎岖复杂路况环境的移动机器人成为当前研究热点，在这种背景下，一种新型移动机器人—球形机器人应运而生[3]。
球型机器人是一种以球型外壳滚动实现行走的机器人，与用轮子滚动行走的轮式、履带式机器人相比，球形机器人具有移动速度快的特点，而且具有驱动少、控制简单的优点：同时，由于球体滚动时与地面点接触的运动阻力相对轮式装置线接触的运动阻力小的多，因此球形机器人还具有运动效率高、能耗低的优点。[5-7] [资料来源：https://www.doc163.com]
球形机器人作为一种新兴领域的移动机器人，对其运动规律和特性进行理论研究和分析，可以为球形机器人的应用提供科学的参考。因此，对球形机器人的研究分析具有很高的科研价值和应用价值。
2.国内外研究现状
球形机器人作为一种以滚动方式行走的新型移动机器人，引起了国内外学者和科研人员的广泛关注。目前对球形机器人的研究主要集中在新型驱动机理、运动学与动力学建模方法和运动控制策略等几个研究方面。
球形机器人是通过驱动单元的运动打破球体的静态平衡实现机器人的滚动运动，单就球形机器人的运动而言，驱动机制是最关键的因素。根据驱动系统的物理原理，球形机器人的驱动可分为两类：偏心力矩驱动和角动量驱动。现将国内外的球形机器人具体驱动实现机构通过偏心力矩驱动和角动量驱动两种驱动方式进行详述。
2.1国外研究情况
偏心力矩驱动是指利用球体重心偏离球体支点时产生的偏心力矩，以此驱动球体滚动的机理。由于其驱动机制的移动，改变了球体的质量分布，产生的偏心力矩打破球体系统的平衡进而使机器人发生滚动。一个绕球体中心轴摆动的重摆通过摆杆与球体中心轴连接，随着重摆的摆动球体重心相应的改变产生偏心力矩进而使机器人运动。
芬兰赫尔辛基理工大学的A.Halme等人于1996年研制了第一款真正意义上的球形机器人，球形机器人依靠内部驱动单元驱动球壳底部的单轮沿球壳内表面滚动，产生的偏心力矩打破了球体系统的平衡，从而实现机器人的滚动。但是由于单轮驱动的局限性，它无法实现球形机器人的全方位运动，并且它的连续性和稳定性也较差。 [资料来源：http://Doc163.com]
偏心质量驱动是最常见的驱动方式，其抽象模型是由一根与地面平行的悬轴通过球心固结在球壳上，偏心质量通过摆臂与悬轴连接，通过偏心质量绕悬轴的摆动改变球体的质心，从而实现驱动球体运动的目的。美国密歇根州立大学的Ranjan Mukherjee和Mark A.Minor1999年提出了一种移动质量驱动式球形机器人 Spherobot。该球形机器人主要由丝杠和移动质量构成，每根丝杠上安装一个移动质量，只要改变移动质量在丝杠上的位置，机器人的质心就随之改变，进而改变机器人的运动状态。
移动质量驱动方式虽然实现了球形机器人的全向运动，但在运动过程中需要同时控制四个电机协调四根移动质量的移动，控制比较麻烦，并且在机构实现方面，四根丝杠是一种类似于甲烷分子的正四面体结构，难以精确实现。
角动量驱动是当球形机器人内部转子高速旋转时，外部摩擦力矩相对较小，球壳由于角动量守恒原理反向旋转，通过改变球形机器人内部转子的速度和方向，可以实现球形机器人的全向运动。
2.2国内研究情况
通过对球形机器人驱动机制研究现状分析，发现现有球形机器人在结构设计方面取得了一定成果，但大多数球形机器人仍处于理论分析和样机试验阶段，暂时不能真正进入应用阶段。在球形机器人驱动机理上取得新的突破，是国内外学者进一步研究和探索的关键方向。 [资料来源：www.doc163.com]
哈尔滨工业大学的赵勃提出了一种同轴双偏心质量驱动球形机器人，两个驱动电机过球心对称分布在机器人的主轴上，每个电机单独驱动一个偏心质量，当两个偏心质量摆角和角加速度相同时，机器人做自旋运动；其他情况下，通过控制两偏心质量摆角和角加速度，可以实现机器人的任意方向运动 。
2006年，西安电子科技大学李团教授对移动质量驱动方式进行了改进，研制了一种具有稳定平台的全方位运动球形机器人，该球形机器人由内球壳、外球壳、内球壳内的稳定平台和内外球壳之间的驱动装置组成，驱动装置由4根轮毂组成，每根轮毂上安装一个直线步进电机，既是驱动装置、又是移动质量，这种设计减少了机器人的整体质量，增加了移动质量的比重，并且内部稳定平台不随球体一起滚动，始终保持稳定姿态。
2.3全向轮驱动球形机器人的发展趋势
球形机器人作为一个全新的研究领域，具有广泛的研究空间和应用前景，例如，在生活娱乐方面，其外形没有棱角，可用于儿童的娱乐教育，工业应用方面，其转向和密封性能好，可用于管道检测、水下实验等；国防以及空间探索方面，其自我保护和环境适应能力强，可用于安全检查、任务执行等。另外，在理论研究方面，由于球形机器人是一个欠驱动、非线性、非完整系统，可以为从事力学和控制理论的研究人员提供一个检验其理论正确性与否的有效实验平台。
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3．本课题要研究或解决的问题
3.1研究内容
本文主要对全向轮驱动球形机器人进行创新设计，并利用UG进行运动仿真，具体过程如下：
（1） 对国内外全向轮驱动球形机器人的研究现状和趋势进行总结并基于偏心力矩原理，提出一种全向轮驱动机构型式的新型球形机器人结构；
（2） 对全向轮驱动球形机器人进行具数字化三维建模；
（3） 对全向轮驱动球形机器人进行运动学和动力学模型的分析；
（4） 了解球形机器人不同运动情况下的仿真实验分析的方法及控制系统的设计方法。
3.2课题研究方法
本文主要对全向轮驱动球形机器人进行设计与仿真，并利用UG进行运动仿真，具体过程如下：
（1）查阅相关论文资料，对国内外全向轮驱动球形机器人的研究现状和趋势进行总结，从论文资料中获得关于球形机器人的基本设计思路和方法，对比设计几种方案，确定研究方案；
（2）运用机械设计和机械原理设计机构，利用UG三维软件对全向轮驱动球形机器人进行具有创新性的机械结构设计，利用UG仿真模块运动仿真；
（3）利用UG三维软件对全向轮驱动球形机器人关键零部件进行有限元分析，受力分析，校核强度； [资料来源：Doc163.com]
（4）然后改进结构，再进行对应分析，进行结构优化，直到满足要求。
（5）利用AUTOCAD或者CAXA二维软件出装配图、重要部分部件图、非标设计核心零件图若干张。
3.3 设计思路与技术路线
设计思路与技术路线流程图如下：
(1)技术路线流程图：
（2）设计思路流程图：
4.阶段进度计划
（1）搜集全向轮驱动球形机器人的有关文献资料，撰写开题报告； 12.18－1.20
5周
（2）相关外文文献资料的阅读与外文翻译； 1.21－3.05（含寒假） 5周
（3）分析并完成机械结构的模型设计； 3.05－4.01 4周
（4）材料、驱动系统、组件的选择及参数计算； 4.02－4.20 3周
（5）；对所设计的机构进行结构检测强度验算4.20-5.12周
（6）；运动特性、运动仿真分析 5.1－5.25 4周
（7）撰写毕业论文及答辩。 5.26－6.18 3周 [来源：http://Doc163.com]
5.参考文献
［1］王克俊.全向轮驱动球形机器人的结构分析与研究[D].北京：北京交通大学，2017.
［2］马双龙.正交位双全向轮驱动球形机器人的结构分析与研究[D].北京：北京交通大学，2017.
［3］朱赣闽.一种摩擦式内驱动球形机器人的设计及轨迹控制研究[D].桂林：桂林电子科技大学，2018.
［4］汪小志，王立谦.基于动力学的球形机器人运动特性研究[D].南昌：南昌工学院，2014.
［5］林星陵，陈建毅.一种新型球形机器人的结构设计[D].厦门：厦门城市职业学院，2015.
［6］宛月，杨理践，井涛.一种两轮驱动的球形机器人[D].沈阳：沈阳工业大学，2017.
［7］杨红彪.水下球形机器人的关键技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2018.
［8］杨伟，李健，肖启阳，黄新敬，曾周末.球形机器人的仿真与实验测试分析[A].天津：天津大学,2018.
［9］陈嘉真.具有控制力拒陀螺的球形机器人及其运动控制方法研究[D].北京：北京邮电大学，2017.
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[资料来源：http://doc163.com]