球形機(jī)器人運(yùn)動原理

1、球形機(jī)器人運(yùn)動的運(yùn)動原理一、球形機(jī)器人簡介球形機(jī)器人在許多國家的科研領(lǐng)域目前還是一個較新的概念，從獲得的十分有限的資料來看，分為兩大類。第一類由內(nèi)部獨(dú)立的動裝置驅(qū)動球殼運(yùn)動的球形 機(jī)器人雖然實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的原理很簡單，但是它的內(nèi)部驅(qū)動局部是一個非完整系統(tǒng)， 球殼的運(yùn)動也是一個非完整系統(tǒng)，使得精確控制變得不可能。第二類通過改變系 統(tǒng)重心，產(chǎn)生偏心力矩驅(qū)動球殼運(yùn)動的球形機(jī)器人，其機(jī)構(gòu)都很復(fù)雜，穩(wěn)定性較 差，預(yù)定軌跡的控制方法也非常難以求得。因此要提高機(jī)器人的動態(tài)穩(wěn)定性、低 速穩(wěn)定性，以及實(shí)現(xiàn)它的精確控制，內(nèi)部驅(qū)動機(jī)制的設(shè)計(jì)成了球形機(jī)器人設(shè)計(jì)的 核心。二、二自由度擺臂驅(qū)動式球形機(jī)器人運(yùn)動的機(jī)械原理由于球體

2、的運(yùn)動不能借助外力，只能依靠內(nèi)部驅(qū)動，而內(nèi)部驅(qū)動的根本要素 在于使球體的質(zhì)心發(fā)生變化，因此，如果能設(shè)計(jì)出使球體質(zhì)心發(fā)生改變的機(jī)構(gòu)， 就可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動球殼運(yùn)動的目的。 而借助擺臂改變質(zhì)心位置無疑是一種最簡潔的 方法。運(yùn)動原理該結(jié)構(gòu)采用內(nèi)部二自由度擺臂驅(qū)動，通過擺臂繞懸軸X軸改變球體在丫 方向的質(zhì)心，同時還可以通過前段擺臂繞關(guān)節(jié)y軸的旋轉(zhuǎn)改變球體在 X方 向上的質(zhì)心，如二擺臂同時運(yùn)動，貝U可以實(shí)現(xiàn)球體質(zhì)心位置的任意改變，從而驅(qū) 動球體在任意方向的運(yùn)動方案簡圖如下：圖2-1二自由度擺臂球形機(jī)器人示意圖建立二自由度擺臂球形機(jī)器人三維模型仔細(xì)分析其運(yùn)動機(jī)理和各個零件的相互作用，之后根據(jù)簡圖和其運(yùn)動原理用S

3、olidWorks畫出各個零件，然后在裝配圖中進(jìn)行配合，最終建立如以下圖所示的 三維模型：圖2-2二自由度擺臂球形機(jī)器人三維模型adams中進(jìn)行動力學(xué)仿真在SolidWorks中將上圖的三維模型保存為 X_T格式，翻開adams將該X_T 格式文件導(dǎo)入，導(dǎo)入之后如以下圖。圖2-3二自由度擺臂球形機(jī)器人動力學(xué)模型導(dǎo)入之后添加運(yùn)動副，給零件定義材料屬性和質(zhì)量屬性，最后在確定適宜步長和 仿真時間之后進(jìn)行仿真計(jì)算，觀察運(yùn)動情況了解其運(yùn)動的機(jī)械原理。仿真結(jié)果顯 示這種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的直線運(yùn)動，轉(zhuǎn)彎和曲線運(yùn)動。仿真視頻已在上課時ppt里展示過 三、全對稱機(jī)器人運(yùn)動的機(jī)械原理 結(jié)構(gòu)示意圖圖3-1全對稱

4、球形機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖全對稱球形機(jī)器人原理如圖3-1所示，該球形機(jī)器人包括球殼1、左旋滾珠絲杠2、左配重塊3、 左電機(jī)4、第一向心推力軸承5、第一推力軸承6、第二推力軸承7、第二向心 推力軸承8、第三向心推力軸承9、第三推力軸承10、右配重塊11、右電機(jī)12、 第四向心推力軸承13、第四推力軸承14、右旋滾珠絲杠15、支承圓盤16。左 電機(jī)4的機(jī)身通過球殼1上的法蘭固定在球殼1上，右電機(jī)12的機(jī)身通過 球殼1上的法蘭固定在球殼1 上,左電機(jī)1和右電機(jī)12對稱處在球殼1的 直徑方向上。支承圓盤16和球殼1固聯(lián)在一起。左旋滾珠絲杠2左端出軸與 左電機(jī)4的出軸固定聯(lián)結(jié)。左旋滾珠絲杠2左端軸從左向右依次裝配

5、第一向心 推力軸承5和第一推力軸承6，第一向心推力軸承5和第一推力軸承6的外圈 裝配在球殼1上的軸承座孔內(nèi)。左旋滾珠絲杠2右端軸由從左向右依次裝配第 二推力軸承7、第二向心推力軸承8，第二推力軸承7、第二向心推力軸承8的 外圈裝配在支承圓盤16的軸承座孔內(nèi)。左配重塊 3通過合螺母裝配在左旋滾 珠絲杠2上。右旋滾珠絲杠15右端出軸右電機(jī)12的出軸固定聯(lián)結(jié)。右旋滾 珠絲杠15右端軸從右向左依次裝配第四向心推力軸承13和第四推力軸承14，第四向心推力軸承13和第四推力軸承14的外圈裝配在球殼1上軸承座孔內(nèi)。 右旋滾珠絲杠15左端軸從右向左依次安裝第三推力軸承 10、第三向心推力軸承 9,第三推力軸承

6、10、第三向心推力軸承9外圈裝配在支承圓盤16的軸承座 孔內(nèi)。右配重塊11又通過配合螺母裝配在右旋滾珠絲杠 15上。該球形機(jī)器人 在球殼的直徑方向上固定左電機(jī)和右電機(jī)，分別帶動兩左旋滾珠絲杠和右旋滾珠絲杠。左旋滾珠絲杠和右旋滾珠絲杠旋向相反，導(dǎo)程、精度等級規(guī)格相同。由于 對稱安裝，所以當(dāng)左電機(jī)、右電機(jī)轉(zhuǎn)向相反時，左電機(jī)和右電機(jī)對球殼產(chǎn)生的驅(qū)動力矩相同。假定初始狀態(tài)為絲杠軸水平，左配重塊和右配重塊對稱布置，這時 只要讓左電機(jī)和右電機(jī)轉(zhuǎn)向相反， 那么由于左旋滾珠絲杠和右旋滾珠絲杠旋向不同， 左配重塊、右配重塊作對稱的運(yùn)動，不會產(chǎn)生重心偏移，就使得球殼實(shí)現(xiàn)直線運(yùn) 動。同時因?yàn)閮膳渲貕K設(shè)計(jì)為重心偏下，

7、那么偏重塊在絲杠中間時由于自身重力作 用而僅作直線移動，而當(dāng)移動到行程兩端時，由于推力球軸承的作用而變?yōu)檗D(zhuǎn)動。 這樣如果直線運(yùn)動過長，那么會出現(xiàn)配重塊運(yùn)動到絲杠行程端部的情況，這時配重 塊由移動變?yōu)檗D(zhuǎn)動，球殼繼續(xù)直線運(yùn)動。如果讓左電機(jī)、右電機(jī)轉(zhuǎn)向相同，貝U它們對球殼的驅(qū)動力矩反向，破壞左配 重塊與右配重塊的對稱，產(chǎn)生偏心力矩。當(dāng)?shù)竭_(dá)所需的轉(zhuǎn)彎半徑后，改變產(chǎn)生所 需運(yùn)動方向相反力矩的電機(jī)轉(zhuǎn)向，于是球殼開始作一定曲率半徑的圓弧運(yùn)動。如 果圓弧運(yùn)動過長，那么會出現(xiàn)一邊的配重塊先運(yùn)動到絲杠的行程端部，這時停止另 一邊的電機(jī)，只讓一個電機(jī)工作，球殼那么繼續(xù)作該曲率半徑的圓弧運(yùn)動，保持這 種狀態(tài)，球殼就作

8、圓周運(yùn)動。這樣通過分別調(diào)節(jié)兩電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)和起停運(yùn)動， 就可實(shí)現(xiàn)球殼的預(yù)定軌跡的運(yùn)動。3.2建立全對稱球形機(jī)器人三維模型仔細(xì)分析其運(yùn)動機(jī)理和各個零件的相互作用，之后根據(jù)簡圖和其運(yùn)動原理用 SolidWorks畫出各個零件，然后在裝配圖中進(jìn)行配合，最終建立如以下圖所示的 三維模型人adams中進(jìn)行動力學(xué)仿真圖2-2全對稱球形機(jī)器人三維模型在SolidWorks中將上圖的三維模型保存為 X_T格式，翻開adams將該X 格式文件導(dǎo)入，導(dǎo)入之后如以下圖。圖3-3全對稱球形機(jī)器人動力學(xué)模型導(dǎo)入之后添加運(yùn)動副，給零件定義材料屬性和質(zhì)量屬性，最后在確定適宜步長和 仿真時間之后進(jìn)行仿真計(jì)算，觀察運(yùn)動情況了解其運(yùn)動的機(jī)械原理。仿真結(jié)果顯 示這種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的直線運(yùn)動，轉(zhuǎn)彎和曲線運(yùn)動。仿真視頻已在上課時ppt里展示過四、兩種球形機(jī)器人的分析與比照二自由度擺臂球形機(jī)器人從原理上看是具有很大可行性的，但是從結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)上卻顯得有些困難。首先，在狹小的球體內(nèi)部如何實(shí)現(xiàn)擺臂及其輔助部件的安 裝，如電機(jī)、電池等，擺臂的質(zhì)量從理論上分析應(yīng)該很大，否那么缺乏以驅(qū)動球體 運(yùn)動，但帶來的問題就是電機(jī)驅(qū)動功率的增加和質(zhì)量的增加，這些問題相互制約；其次