文档介绍：外文翻译
专业机械设计制造及其自动化
学生姓名董香龙
班级 B机制077
学号 0710101717
指导教师袁健
外文资料名称:Design and analysis of a spherical mobile robot
外文资料出处: Mechanism and Machine Theory 45 (2010) 130–136
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指导教师评语:
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年月日
球形移动机器人的设计与分析
Vrunda ,Ravi ,Rohit Hippalgaonkar
董香龙译
摘要:最近,我们的团队构造了了一个球形移动机器人的平面图并且验证了它是否满足角动量守恒定律。该机器人是一个典型的非完整约束系统,它采用路径规划算法来鉴别某个平面系统的非完整性。这种球形移动机器人模型不同于已往的机器人模型,因此以往的算法不适用于本系统。可行性路径规划和反馈控制算法是该类机器人研究的理论基础。
关键词: 球形机器人;非完整约束系统;欧拉参数

移动机器人是机器人技术的重要分支之一。对于机器人的移动性(比如滚动),比一般的机器人更具优势。这种运动的磨损少,配置容量小,系统具有非完整性并且摩擦小。相对于单轮式机器人,陀螺仪的结构稳定,因为外形是球形,机器人可以从碰撞中恢复到原状[1]。传感器都可以安装在里面的球壳,这样机器人就可以得到有效的使用。所以,可以利用控制工程的理论来建设一个自主球形移动机器人的实验平台。
球形移动机器人的驱动单元一般装在球壳内。它由球形外壳和拱状体组成的,传动装置是由一个单摆和控制拱组成。拱状体和单摆可以控制俯仰角。在[2,3]中,滚动轮子里面的球形外壳驱动电动机转弯。该机器人的移动会受到平衡系统和内部结构的扰动。在Harmo设计和研发的球形移动机器人的实验中(这个特别的实验称之为“罗洛”)[4],他把驱动单元放在边缘,这个驱动单元可绕两轴旋转。而具有这个结构的小型车已经使用了Sphericle的驱动单元[5]。这款车既可以独轮运动也可以由两个步进电机驱动。当介绍目前机器人的工作原理时它们的工作质心都发生了变化。 Rollmob是由Ferrière等人设计和发展上的一个项目。[6]是一个由装有轮子的普遍滚筒驱动的球。轧辊轮转动带动周围轴轮球的滚动,而球的滚动方向垂直于该轴。由Bhattacharya等建筑设计的机器人——[7],是把两个相互正交的转子,从球壳内连接到外部的机器人。沿Z轴的一个单转子和沿X轴的两个转子同步旋转,这是作为一个单一的刚性连接体。当转子旋转时,由于角动量守恒定律,球形机器人可以在其相反的方向滚动。而GroundBot球形机器人是为外星勘探开发的。这个机器人的重心同地面控制钟摆保持这密切的联系。当机器人被提升,球就可以滚动。当摆侧移动,球就转圈,Spherobot是一个凭借Mukherji等球形移动机器人的机器装置。
[8]的大多数辐条都沿径向放置,其径向运动制造了机器人运动。“独眼巨人系统”——[9]在其运动中有两个自由度,它可以通过垂直轴和辊轴利用马达的动力沿水平方向前后动作,同时需要固定内齿轮头。审查过的文件提供了球形移动机器人构造细节,这些文件可以在[10,11]里查阅到,该系统对现有的路径规划算法及反馈算法作了简明的分析,这些可以从[12,13]得到。在本文中,我们提出了一个球形移动机器人的概念,及其设计,制作并在实验室里分析和研究了这个系统。本文的组织如下:第2节介绍了机器人的结构和设计细节,第3节介绍了利用四阶矩阵建立的数学模型,在第4节中我们讨论了机器人的四元空间。第5节是实验结果的讨论,第6节结束语。

实验室的球形移动机器人是在满足角动量守恒定律的基础上所设计的。该机器人有两个内部转子,由4毫米厚的丙烯酸度材料制造。机器人的内径为30厘米。设计的关键环节是安放内部组件,(例如,确定机器人的质心位置),这样,机器人就不会自干涉了。实现这一目标的最简单方式是把所有的零件对称放置。球体内部有两个相互垂直的转子轴,这两个转子轴的直径为32cm,驱动电机为80w无刷,容量800MA,其中有二十个PACK锂电电池,供一个电动机使用,总共有四节电池。这两个速度控制单元控制电机的速度而且受外部控制器的信号影响。如图1所示,对称放置组件和转子,电机的速度控制装置放在边上,且要与电池自重的方向相反放置。同样,另一电机的速度控制也要与电池自重方向相反放置。如图2所示,该机器人有两个半球,每个半球由一个电机总成和一个电池聚集而成。。图3显示了发达的机器人的原理图。正如在第1节讨论的,在不同的文献中驱动原理是不同的,一些球形机器人