一種載人球形機器人的機構設計及動態分析

邢永波++金京++王加兵

摘 要：通過對當前為滿足各鐘特殊環境下的需求而提出的球形機器人的深入研究，提出了一種具有載人能力的球形機器人，確定了其運動機構方案和結構設計方案，通過UG對該機構進行三維建模并在Ansys中構建系統的模型，對該系統進行仿真分析，對載人球形機器人結構設計優化，為球形機器人整體的設計、模擬仿真及其制造提供參考。針對目前對球形機器人無載人性能這一特點，設計提出了具有轉向性的載人球形機器人，在各種特殊環境下具有很大實際應用價值。

關鍵詞：載人球形機器人 運動仿真 有限元分析 UG/ADAMS軟件應用

中圖分類號：TP24 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）09（a）-0007-03

具有球星外形的自主移動交通工具有很長的歷史，近期發展已經說明了它在不同環境下的各種應用，包括航海的，室內的，室外的，軍事方面和行星探險[1]。相比較而言，傳統的足式機器人雖然運動靈活但運動速度低，耗能大，承載力小而且控制系統復雜；輪式的移動速度快，承載力大，耗能小，但在某些特殊環境下難以運用，如球體如果它的半徑較大的話可以滾過一定的障礙物和溝渠，可以適應非常惡劣的環境。

球形機器人外部一個球形的殼體，與地面及外界物體始終為點接觸，從而使其在轉向時轉彎半徑非常小，摩擦阻力小、能耗低、環保節能，并且與外界物體碰撞時的抗沖擊性和安全性極高。球形機器人在運動時，與接觸面發生近似點接觸，所以它的穩定性比較差。它的原理是通過改變機器人的重心來實現在平面上的滾動，那么更有效的控制它的重心改變來提高穩定性和它的運動控制性問題。

目前，國內外對球形機器人的設計研究基本上還處在初級階段，也有一些研究單位設計研制了一些球形機器人但大多數是比較小尺寸的，里邊搭載各種儀器，相對于載人的，大尺寸的球形機器人的研制目前基本上很少；該結構設計最大程度的使得平臺上空間分布合理實現載人的條件。哈爾濱工業大學機器人技術與系統國家重點實驗室的趙勃等人，將傳統的偏心質量塊驅動方式進行了改進，研制了一種雙偏心質量塊驅動的球形機器人，雙偏心質量塊驅動的球形機器人這種改進的雙偏心質量塊驅動方式使機器人具有更快的移動速度，更靈活的轉向能力，但將機器人的橫滾角度限制在了一定的范圍，機器人不具有全方位滾動能力；Spherical Mobile Robot

Aarne Halme等人在1996年研制出了第一臺具有真正意義上的球形運動機構由電機驅動驅動輪在球殼內滾動，通過改變系統的重心來實現球體的滾動這種設計實現了球體的運動，但由于采用單輪驅動的固有的局限性，它無法實現球形機器人的全向滾動，本文巧妙的利用兩個輔助輪速度的改變使得重心左右位移使得在一定的范圍內實現轉彎功能；Amir Homayoun Javadi A.和Puyan Mojabi在2002年開發了一種全方位球形運動機器人，由一臺步進電機通過絲杠驅動一個配重塊沿輪幅方向來回移動通過改變輪幅上的配重的位置來驅動系統的運動這種設計也基本上實現了球體的全向滾動，但是由于結構上的原因，這種機器人的體積比較大而且不具備載人能力。

綜合國內外研究狀況，它們的不足之處在：（1）無載人負重能力。（2）都是機控電控而不是直接由人來操控。（3）大多數僅限于較小尺寸的球形機器人。針對以上情況本文主要設計出一種載人球形機器人的運動結構，應用新的一種結構控制它的運動使得更穩定，在UG中進行三維結構建模，并運用虛擬樣機軟件ADAMS進行運動仿真，仿真分析與設計，驗證結構設計的可行性和合理性，為下一步工作提供有效參考。

1 載人球形機器人的結構設計模型

如圖1所示，該球形機器人由球殼，位于球殼內的底部平板架的和位于平板架的和球殼之間的推進裝置組成，平板架上裝置有電源和座位及控制裝置，推進裝置是由連接于平臺上的三個小輪組成，每個小輪上各有一個驅動電機，分別與球殼內部形成點接觸。在靜止和行駛過程中，球體重心始終低于球心，且車身質量輕，慣性小，駕駛安全性高。該機構具有較強的越障功能，因為它的外殼是一個較大的圓球，在相同的障礙前比其它車子更能輕松的越過。本發明除過外界物體卡死的情況下，它在任何運動狀態下都不會翻車。

當系統的重心與球體的形心同在一條豎直線上時，則對球形機器人不產生力矩，靜止不動；啟動驅動電機，平板架的載著人運動位置改變進而使得系統的重心位置偏移。系統重心相對于地面形成一個力偶，驅動球殼在地面上運動。剛起步時由于啟動力矩較大，所以可以同時啟動三個驅動電機，當運動起來后可以只啟動主驅動電機1，實現穩定運動，因為它的慣性所以耗能更小；需要減速時，電機1減速的同時可以同時驅動電機2和電機3使之反向運動，由于摩擦力作用下，能夠使之更快速平穩有效的降低速度直至所需狀態；加速時也同樣給定驅動電機2和3一定的同向速度加以實現。如果當驅動電機2和3的速度不一樣時，即小輪2和小輪3一個同方向加速而另一個則反方向運動，則小輪1會偏離原運行的軌道，則進行轉向，此時如果在使得驅動電機2和3的運動狀態與上一運動狀態剛相反時，又使得其狀態復位，從而使得球形機器人恢復直線運動并且回到之前的運動軌道上。因為是一種載人的球形機器人，所以要求在球殼上有一個開口，通過它進入到里邊，而且在轉向后要保證其運動軌道回復，因此通過小輪2和3的不同運動狀態，使球體重心在左右方向上偏移從而實現球體的轉向控制。

為了使得球形機器人在運動過程中底部平板架的平穩性，在以平板架中心為基準，在周圍以120夾角分別裝置如圖所示的帶有萬向輪的構件以彈簧使其一端與平板架固連，另一端點分別與球殼接觸，因此在運動過程中能夠起到緩沖作用使得運動更加的平穩。

如圖所示，1為球殼2為平臺上的帶有彈簧的萬向球，均勻分布3個，3和5分別為帶有電機（2）（3）的輪子，4為帶有驅動電機（1）的主輪，6為彈簧，7為位于球殼內的底部平板架endprint

2 三維實體模型的建立及動力分析

球形機器人平面運動系統為一個欠驅動系統，同時又是一個非完整系統。非完整系統可以用較小的驅動機構控制較多的自由度，有利于降低機器人的重量，最小轉彎半徑小于直徑，轉向靈活性高；車的重心人為控制，主動操作性強。

球形機器人系統分別在框架和電機的驅動下，改變球殼內的重心方位，從而產生繞著地點的力矩，使球滾動。

2.1 直線運動特性分析

如圖1中，假設電機1的轉速為，則小輪與球殼接觸點的運動速度為機器人中心點角速度球形機器人的角加速度為該球形移動機器人的直線運動速度主要是由電機1的轉速所決定。運用運用拉格朗日方程求得電機1的輸出轉矩為：

其中，載人球形移動機器人的總質量為M；球形機器人的角加速度為α1，球殼的密度為；球形機器人與接觸面的滾動摩阻系數為，只與相互接觸的兩個物體的硬度和濕度有關。由公式（2）可知，電機1的轉矩大小與球的總質量M、外徑R、球殼的密度加速度α1成正比，與內徑r成反比，即內徑r越大則轉矩越小.因此在球形機器人的外徑一定的情況下，為了具有更高的加速度，球殼壁厚應盡量薄且總重量盡量輕。

由以上分析，我們球殼選用亞克力材料透明質輕，壁厚b=15 mm，小車球殼質量80 kg，球殼內各裝置的質量25 kg設計承載能力70 kg，則小車的總質量約為175 kg。

亞克力球殼與一般地面的摩擦f取 0.016，球殼在運動中總體所受的阻力：

=175×9.8×0.016=27.44 N

當機器人運動起來時，偏轉一個角度 時，轉動力矩則最小擺角（底部平板架與豎直方向的夾角）：

2.2 轉向運動特性分析

轉彎半徑的大小是考量球形機器人躲避障礙物靈活性的一個重要因素，本結構設計利用重心偏移輕松控制轉向，方便簡單而有效的解決了球體的轉向不可控的難題，而且有較小的轉彎半徑。

機器人包括兩大部分重量：一部分是重物負載的重量，即人的重量；另一部分是機器人其余部分的重量（包括兩個電機和球殼等），由于設計的對稱性，重心位于球形機器人的形心與水平面的垂線上。當球形機器人在轉彎時，如果底部平板架在電機2，3的驅動下旋轉角度時，該球形移動機器人的轉彎半徑為：

在理論上越大時，則該球形機器人的轉彎速度更快、轉彎半徑更小，但在實際的工程實現中，由于本設計轉彎原理是利用重心偏移控制轉向，因此必須滿足≤，其中為其驅動時的最小擺角。由于該設計球殼半徑R=600 mm，所以使得該機器人的轉彎速度更快、轉彎半徑更小。

2.3 機器人爬坡特性分析

球形機器人的爬坡能力主要是由主驅動輪的電機1來實現的，如圖2，假設球體受到電動機的輸出力矩為M1，相對球心的力矩為M，球形機器人在坡度為的斜面上爬坡，將其運動時在整體負載情況下看做是一質點，其受重力為G，球殼半徑為R，斜坡與球殼之間摩擦力足夠大，球殼與地面間只做純滾動，球形機器人與接觸面的滾動摩阻系數為（單位 mm），各力對球心的力矩平衡方程為：

可得爬坡角度：

由此得出，在球形機器人總負載不變的情況下，電機輸出力矩越大，球殼半徑越小，爬坡角度越大，滾動摩擦系數u與地面情況等因素有關。

3 ADAMS運動仿真

虛擬樣機技術的不斷發展，為此項工作提供了很好的研究手段。該技術將各種不同的學科門類的技術集于一體，在計算機上進行整體系統的完整數字化分析，并提供各種可能的數據分析結果。隨著計算機技術和現代設計方法的不斷改進完善，建立球形機器人虛擬樣機是可行的。但由于系統的復雜性，為建模帶來較大難度。為此，在研究和分析的基礎上，針對系統內部構件剛性差異較大的特點，提出了基于剛柔耦合方法、基于多種軟件的球形機器人虛擬樣機建模技術。借助成熟的、可靠的現有軟件ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems），ANSYS，Pro/E（Pro/Engineering）進行整機系統建模建立與仿真，可避免對模型的大量簡化而引起的結果誤差[7]。建立虛擬樣機。

運動動力是依靠驅動電動機改變自身重心位置和外界摩擦力提供，與地面之間為純滾動摩擦。機器人先加速運動，摩擦力瞬間由靜摩擦變為動摩擦，加速時，擺角大于0，球體重心偏前，摩擦力大于0。減速時，擺角小于0，球體重心偏后，摩擦力小于0，球體與地面間為純滾動摩擦.如圖5為球形機器人角速度曲線，通過控制輪子的運動來實現球殼的運動姿態。通過建立模型仿真，實驗結果模型能夠在ADAMS中實現位移仿真，說明其結構設計合理可行，為電機的控制提供重要參數。

4 結構的有限元分析

ANSYS調用生成有限元分析中力的邊界條件，進行應力、應變以及疲勞壽命的評估分析和研究；這樣便可得到基于精確動力學仿真結果的應力、應變分析結果，提高計算精度。

由于ansys的造型功能較弱，可以選擇其他造型功能強大的CAD軟件建造模型。本設計是通過UG軟件造型，待完成后，然后導入ansysworkbench求解分析。

4.1 靜力學求解過程

（1）建立有限元模型，設置材料特性。 （2）對于組建需要定義接觸區域。（3）定義網格控制并劃分網格。（4）施加載荷和邊界條件。（5）對問題進行求解。（6）進行結果評價和分析（結果后處理）。

4.2 底部連接板的優化與設計

在設計過程中，選擇鋼作為主體材料，重力默認向下。如圖3底部構件受應力分析，局部結構安全性差，在整體框架上是比較薄弱的結構，影響整體剛度，通過分析對其尺寸結構尺寸厚做適當調整。

可以發現，運用ANSYS軟件來對構件進行應力分析有一定的實用性和科學性，它具有方便簡單、精準度高等特點，它分析所得數據是可靠而有效的，通過應力分析能夠得到構件在運動過程中不同部分所承受應變的大小，在在構件的設計方面具有十分重要的意義。endprint

5 結語

在本文中，結合使用UGNX和ADAMS，建立了一種具有穩定平臺的載人球形機器人的三維模型，實現了一種能載人的球形機器人的設計，并且具有轉向性，載人性和球殼的透明使得其更易操控，滿足特殊環境下的探測具有很大的應用價值，運用虛擬樣機，結合實例，通過球形機器人的運動仿真分析，有限元分析，驗證了所提方案滿足設計要求，為物理樣機的研制提供了重要的依據。虛擬樣機技術的運用縮短了設計周期，降低了設計費用，保證了方案的設計質量。

參考文獻

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在本文中，結合使用UGNX和ADAMS，建立了一種具有穩定平臺的載人球形機器人的三維模型，實現了一種能載人的球形機器人的設計，并且具有轉向性，載人性和球殼的透明使得其更易操控，滿足特殊環境下的探測具有很大的應用價值，運用虛擬樣機，結合實例，通過球形機器人的運動仿真分析，有限元分析，驗證了所提方案滿足設計要求，為物理樣機的研制提供了重要的依據。虛擬樣機技術的運用縮短了設計周期，降低了設計費用，保證了方案的設計質量。

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在本文中，結合使用UGNX和ADAMS，建立了一種具有穩定平臺的載人球形機器人的三維模型，實現了一種能載人的球形機器人的設計，并且具有轉向性，載人性和球殼的透明使得其更易操控，滿足特殊環境下的探測具有很大的應用價值，運用虛擬樣機，結合實例，通過球形機器人的運動仿真分析，有限元分析，驗證了所提方案滿足設計要求，為物理樣機的研制提供了重要的依據。虛擬樣機技術的運用縮短了設計周期，降低了設計費用，保證了方案的設計質量。

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