题目：高机动球形探测机器人的设计与试验研究

球形机器人是一种将运动机构和控制器件包含在一个球形壳体内的系统的总称，通过重心偏移、角动量守恒等原理来实现整个机器人的运动。球形机器人具有良好的静态和动态稳定性,所以这类机器人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，也非常适合在潮湿、多尘土、多辐射环境中执行任务。球形机器人具有许多独特的优点，有广阔的研究空间和应用前景，已经成为一个很有意义的研究领域。本文首先通过对球形机器人的运动机理和机构进行分析，分别提出了利用重心偏移和角动量守恒原理实现运动的球形机器人的简化标准型，研究了影响其运动性能的参数，绘制了上述参数与运动性能之间的关系曲线，并建立虚拟样机仿真模型验证了这几个参数对球形机器人运动性能的影响，验证了分析结果的正确性，这为球形机器人的机构设计奠定了基础。其次，在对所提出的八种机构设计方案论证、比较的基础上，最终选定了利用重心偏移来实现机器人的直线运动，利用角动量守恒来实现原地零半径转向，并具有可伸缩的双摄像头环境探测系统的设计方案。根据此方案，详细设计了机器人的机械结构，包括直线驱动机构、原地转向驱动机构和摄像头伸缩机构等,并加工、装配各零部件，完成了该球形机器人的电机选型和物理样机的研制。然后，在对控制器所需芯片进行选型、电路原理图设计、PCB图设计、制板、焊接、调试之后，完成了以DSP TMS320LF2407A为处理芯片的高机动球形探测机器人控制器的设计。此控制器可以采集电机编码器及加速度计和陀螺仪两种姿态传感器的信息，可以接收FUTABA遥控器的信号来对球形机器人进行遥控控制。最后，进行了球形机器人的直线运动、原地转向运动、爬坡和越障等机动性能实验，并对实验结果进行了分析和总结。本文设计的新型的具有高机动性的球形探测机器人，其机动性能相对实验室之前的球形机器人有较大程度的提高，最大可以爬上17°的斜坡，最高可以越过20mm高的障碍物，摄像头可以伸缩，并具有很好的启动、停止特性，运动灵活，维护方便。