● 摘要
球形移动机器人是一种特殊的移动机器人，它将所有的运动机构和控制系统包容在球形壳体之内，利用重心偏移或角动量守恒原理实现可控运动，具有结构紧凑、运动灵活等特点，在环境探测等应用领域具有独特优势。本文设计了一种具有全向运动功能的球形探测机器人。该球形探测机器人具有抗冲击性，可以通过内置传感器采集环境中的图像及声音信息，然后利用无线传输设备传回远程操作者。 结合实验室的已有研究基础，提出了本文的研究内容、研究方法以及需解决的问题。首先分析了球形机器人的运动机理，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，分析了影响机器人爬坡、越障的参数。并建立了ADAMS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。其次进行球形探测机器人的机构设计，提出了五种适合用于投掷的机构设计方案，比较确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的优选方案。根据此方案详细设计了机器人的机械结构，以及机构的抗冲击设计和控制系统的缓冲设计，通过对球形探测机器人进行爬坡、越障运动仿真，检验其运动性能。最终完成了零件的加工和样机的装配。基于球形探测机器人可投掷功能，对冲击性能进行研究。推导机器人撞击地面冲击力公式，并采用ADAMS仿真不同跌落高度的冲击加速度和冲击力，通过静力仿真分析校核关键部位强度，采用LS-DYNA针对不同高度进行撞击地面仿真研究，得出球壳与内部机构的应力应变大小。 控制系统设计方面，提出控制系统的总体方案，进行其硬件电路和软件设计。最后分别针对机器人运动性能和抗冲击性进行试验研究。运动性能试验主要包括直线运动实验，爬坡、越障运动试验，原地转向运动试验，验证机器人直线运动的稳定性，爬坡和越障能力以及转向灵活性；抗冲击试验通过球形探测机器人3m高度跌落，观察机构及驱动、控制系统的受冲击损坏状况。从试验中发现样机设计中存在的问题，为进一步的研究提供解决思路。