● 摘要
球形机器人是一种新型的移动机器人的结构形式，它是一种将运动机构和控制器包含在一个球形壳体内的系统的总称。球形机器人具有静态的和动态的稳定性，非常适合在缺少人为干预的环境中运动，如外太空环境、野外环境等。球形机器人已成为一个全新的研究领域，具有广阔的研究空间和应用前景，国内外许多单位都相继开展了球形机器人方面的研究工作。本文通过对国内外已有的球形机器人的工作原理和结构组成的分析，提出了球形探测移动机器人的设计方案，研制出了可以加载摄像机等传感器件以完成一定探测任务的球形机器人样机BHQ-1G和BHQ-2，并对所研制的球形机器人做了机构分析、控制系统的硬件与软件设计以及对球形机器人的运动规划做了初步的研究，最后做了大量的实验以验证其性能。本文主要由六章组成。论文的第一章介绍了国内外球形机器人的研究发展现状，提出了本课题的研究目的和意义，说明了本课题的主要研究内容和需要重点解决的问题。第二章分析了现有球形机器人的工作原理，对前期研究的BHQ-1球形机器人进行了分析，在此基础上提出了BHQ-1的改进型BHQ-1G和一种新型结构的BHQ-2，并对这两型机器人的性能进行了分析，最终实现了能满足探测任务要求的球形机器人样机。在第三与第四章中，详细介绍了BHQ-1G和BHQ-2球形机器人的控制系统组成，进行了芯片选型、电路设计以及程序编制等，完成了可以满足功能要求的控制系统的设计。论文的第五章进行了BHQ-1G和BHQ-2球形机器人运动轨迹规划的初步研究，利用从D’Alembert-Lagrange原理重新推导的Boltzmann-Hamel等式建立了其动力学模型，引入代价函数和Hamiltonian函数，规划了在该代价函数最优条件下机器人的优化路径轨迹，给出了仿真结果。在本文的最后一章进行了BHQ-1G与BHQ-2球形机器人的运动实验和环境探测实验等，并对实验结果进行了分析和总结。