一种载人球形机器人的机构设计及动态分析

2014-12-01邢永波金京王加兵

科技资讯 2014年25期

邢永波++金京++王加兵

摘要：通过对当前为满足各钟特殊环境下的需求而提出的球形机器人的深入研究，提出了一种具有载人能力的球形机器人，确定了其运动机构方案和结构设计方案，通过UG对该机构进行三维建模并在Ansys中构建系统的模型，对该系统进行仿真分析，对载人球形机器人结构设计优化，为球形机器人整体的设计、模拟仿真及其制造提供参考。针对目前对球形机器人无载人性能这一特点，设计提出了具有转向性的载人球形机器人，在各种特殊环境下具有很大实际应用价值。

关键词：载人球形机器人运动仿真有限元分析 UG/ADAMS软件应用

中图分类号：TP24 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（a）-0007-03

具有球星外形的自主移动交通工具有很长的历史，近期发展已经说明了它在不同环境下的各种应用，包括航海的，室内的，室外的，军事方面和行星探险[1]。相比较而言，传统的足式机器人虽然运动灵活但运动速度低，耗能大，承载力小而且控制系统复杂；轮式的移动速度快，承载力大，耗能小，但在某些特殊环境下难以运用，如球体如果它的半径较大的话可以滚过一定的障碍物和沟渠，可以适应非常恶劣的环境。

球形机器人外部一个球形的壳体，与地面及外界物体始终为点接触，从而使其在转向时转弯半径非常小，摩擦阻力小、能耗低、环保节能，并且与外界物体碰撞时的抗冲击性和安全性极高。球形机器人在运动时，与接触面发生近似点接触，所以它的稳定性比较差。它的原理是通过改变机器人的重心来实现在平面上的滚动，那么更有效的控制它的重心改变来提高稳定性和它的运动控制性问题。

目前，国内外对球形机器人的设计研究基本上还处在初级阶段，也有一些研究单位设计研制了一些球形机器人但大多数是比较小尺寸的，里边搭载各种仪器，相对于载人的，大尺寸的球形机器人的研制目前基本上很少；该结构设计最大程度的使得平台上空间分布合理实现载人的条件。哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室的赵勃等人，将传统的偏心质量块驱动方式进行了改进，研制了一种双偏心质量块驱动的球形机器人，双偏心质量块驱动的球形机器人这种改进的双偏心质量块驱动方式使机器人具有更快的移动速度，更灵活的转向能力，但将机器人的横滚角度限制在了一定的范围，机器人不具有全方位滚动能力；Spherical Mobile Robot

Aarne Halme等人在1996年研制出了第一台具有真正意义上的球形运动机构由电机驱动驱动轮在球壳内滚动，通过改变系统的重心来实现球体的滚动这种设计实现了球体的运动，但由于采用单轮驱动的固有的局限性，它无法实现球形机器人的全向滚动，本文巧妙的利用两个辅助轮速度的改变使得重心左右位移使得在一定的范围内实现转弯功能；Amir Homayoun Javadi A.和Puyan Mojabi在2002年开发了一种全方位球形运动机器人，由一台步进电机通过丝杠驱动一个配重块沿轮幅方向来回移动通过改变轮幅上的配重的位置来驱动系统的运动这种设计也基本上实现了球体的全向滚动，但是由于结构上的原因，这种机器人的体积比较大而且不具备载人能力。

综合国内外研究状况，它们的不足之处在：（1）无载人负重能力。（2）都是机控电控而不是直接由人来操控。（3）大多数仅限于较小尺寸的球形机器人。针对以上情况本文主要设计出一种载人球形机器人的运动结构，应用新的一种结构控制它的运动使得更稳定，在UG中进行三维结构建模，并运用虚拟样机软件ADAMS进行运动仿真，仿真分析与设计，验证结构设计的可行性和合理性，为下一步工作提供有效参考。

1 载人球形机器人的结构设计模型

如图1所示，该球形机器人由球壳，位于球壳内的底部平板架的和位于平板架的和球壳之间的推进装置组成，平板架上装置有电源和座位及控制装置，推进装置是由连接于平台上的三个小轮组成，每个小轮上各有一个驱动电机，分别与球壳内部形成点接触。在静止和行驶过程中，球体重心始终低于球心，且车身质量轻，惯性小，驾驶安全性高。该机构具有较强的越障功能，因为它的外壳是一个较大的圆球，在相同的障碍前比其它车子更能轻松的越过。本发明除过外界物体卡死的情况下，它在任何运动状态下都不会翻车。

当系统的重心与球体的形心同在一条竖直线上时，则对球形机器人不产生力矩，静止不动；启动驱动电机，平板架的载着人运动位置改变进而使得系统的重心位置偏移。系统重心相对于地面形成一个力偶，驱动球壳在地面上运动。刚起步时由于启动力矩较大，所以可以同时启动三个驱动电机，当运动起来后可以只启动主驱动电机1，实现稳定运动，因为它的惯性所以耗能更小；需要减速时，电机1减速的同时可以同时驱动电机2和电机3使之反向运动，由于摩擦力作用下，能够使之更快速平稳有效的降低速度直至所需状态；加速时也同样给定驱动电机2和3一定的同向速度加以实现。如果当驱动电机2和3的速度不一样时，即小轮2和小轮3一个同方向加速而另一个则反方向运动，则小轮1会偏离原运行的轨道，则进行转向，此时如果在使得驱动电机2和3的运动状态与上一运动状态刚相反时，又使得其状态复位，从而使得球形机器人恢复直线运动并且回到之前的运动轨道上。因为是一种载人的球形机器人，所以要求在球壳上有一个开口，通过它进入到里边，而且在转向后要保证其运动轨道回复，因此通过小轮2和3的不同运动状态，使球体重心在左右方向上偏移从而实现球体的转向控制。

为了使得球形机器人在运动过程中底部平板架的平稳性，在以平板架中心为基准，在周围以120夹角分别装置如图所示的带有万向轮的构件以弹簧使其一端与平板架固连，另一端点分别与球壳接触，因此在运动过程中能够起到缓冲作用使得运动更加的平稳。

如图所示，1为球壳2为平台上的带有弹簧的万向球，均匀分布3个，3和5分别为带有电机（2）（3）的轮子，4为带有驱动电机（1）的主轮，6为弹簧，7为位于球壳内的底部平板架endprint

2 三维实体模型的建立及动力分析

球形机器人平面运动系统为一个欠驱动系统，同时又是一个非完整系统。非完整系统可以用较小的驱动机构控制较多的自由度，有利于降低机器人的重量，最小转弯半径小于直径，转向灵活性高；车的重心人为控制，主动操作性强。

球形机器人系统分别在框架和电机的驱动下，改变球壳内的重心方位，从而产生绕着地点的力矩，使球滚动。

2.1 直线运动特性分析

如图1中，假设电机1的转速为，则小轮与球壳接触点的运动速度为机器人中心点角速度球形机器人的角加速度为该球形移动机器人的直线运动速度主要是由电机1的转速所决定。运用运用拉格朗日方程求得电机1的输出转矩为：

其中，载人球形移动机器人的总质量为M；球形机器人的角加速度为α1，球壳的密度为；球形机器人与接触面的滚动摩阻系数为，只与相互接触的两个物体的硬度和湿度有关。由公式（2）可知，电机1的转矩大小与球的总质量M、外径R、球壳的密度加速度α1成正比，与内径r成反比，即内径r越大则转矩越小.因此在球形机器人的外径一定的情况下，为了具有更高的加速度，球壳壁厚应尽量薄且总重量尽量轻。

由以上分析，我们球壳选用亚克力材料透明质轻，壁厚b=15 mm，小车球壳质量80 kg，球壳内各装置的质量25 kg设计承载能力70 kg，则小车的总质量约为175 kg。

亚克力球壳与一般地面的摩擦f取 0.016，球壳在运动中总体所受的阻力：

=175×9.8×0.016=27.44 N

当机器人运动起来时，偏转一个角度时，转动力矩则最小摆角（底部平板架与竖直方向的夹角）：

2.2 转向运动特性分析

转弯半径的大小是考量球形机器人躲避障碍物灵活性的一个重要因素，本结构设计利用重心偏移轻松控制转向，方便简单而有效的解决了球体的转向不可控的难题，而且有较小的转弯半径。

机器人包括两大部分重量：一部分是重物负载的重量，即人的重量；另一部分是机器人其余部分的重量（包括两个电机和球壳等），由于设计的对称性，重心位于球形机器人的形心与水平面的垂线上。当球形机器人在转弯时，如果底部平板架在电机2，3的驱动下旋转角度时，该球形移动机器人的转弯半径为：

在理论上越大时，则该球形机器人的转弯速度更快、转弯半径更小，但在实际的工程实现中，由于本设计转弯原理是利用重心偏移控制转向，因此必须满足≤，其中为其驱动时的最小摆角。由于该设计球壳半径R=600 mm，所以使得该机器人的转弯速度更快、转弯半径更小。

2.3 机器人爬坡特性分析

球形机器人的爬坡能力主要是由主驱动轮的电机1来实现的，如图2，假设球体受到电动机的输出力矩为M1，相对球心的力矩为M，球形机器人在坡度为的斜面上爬坡，将其运动时在整体负载情况下看做是一质点，其受重力为G，球壳半径为R，斜坡与球壳之间摩擦力足够大，球壳与地面间只做纯滚动，球形机器人与接触面的滚动摩阻系数为（单位 mm），各力对球心的力矩平衡方程为：

可得爬坡角度：

由此得出，在球形机器人总负载不变的情况下，电机输出力矩越大，球壳半径越小，爬坡角度越大，滚动摩擦系数u与地面情况等因素有关。

3 ADAMS运动仿真

虚拟样机技术的不断发展，为此项工作提供了很好的研究手段。该技术将各种不同的学科门类的技术集于一体，在计算机上进行整体系统的完整数字化分析，并提供各种可能的数据分析结果。随着计算机技术和现代设计方法的不断改进完善，建立球形机器人虚拟样机是可行的。但由于系统的复杂性，为建模带来较大难度。为此，在研究和分析的基础上，针对系统内部构件刚性差异较大的特点，提出了基于刚柔耦合方法、基于多种软件的球形机器人虚拟样机建模技术。借助成熟的、可靠的现有软件ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems），ANSYS，Pro/E（Pro/Engineering）进行整机系统建模建立与仿真，可避免对模型的大量简化而引起的结果误差[7]。建立虚拟样机。

运动动力是依靠驱动电动机改变自身重心位置和外界摩擦力提供，与地面之间为纯滚动摩擦。机器人先加速运动，摩擦力瞬间由静摩擦变为动摩擦，加速时，摆角大于0，球体重心偏前，摩擦力大于0。减速时，摆角小于0，球体重心偏后，摩擦力小于0，球体与地面间为纯滚动摩擦.如图5为球形机器人角速度曲线，通过控制轮子的运动来实现球壳的运动姿态。通过建立模型仿真，实验结果模型能够在ADAMS中实现位移仿真，说明其结构设计合理可行，为电机的控制提供重要参数。

4 结构的有限元分析

ANSYS调用生成有限元分析中力的边界条件，进行应力、应变以及疲劳寿命的评估分析和研究；这样便可得到基于精确动力学仿真结果的应力、应变分析结果，提高计算精度。

由于ansys的造型功能较弱，可以选择其他造型功能强大的CAD软件建造模型。本设计是通过UG软件造型，待完成后，然后导入ansysworkbench求解分析。

4.1 静力学求解过程

（1）建立有限元模型，设置材料特性。（2）对于组建需要定义接触区域。（3）定义网格控制并划分网格。（4）施加载荷和边界条件。（5）对问题进行求解。（6）进行结果评价和分析（结果后处理）。

4.2 底部连接板的优化与设计

在设计过程中，选择钢作为主体材料，重力默认向下。如图3底部构件受应力分析，局部结构安全性差，在整体框架上是比较薄弱的结构，影响整体刚度，通过分析对其尺寸结构尺寸厚做适当调整。

可以发现，运用ANSYS软件来对构件进行应力分析有一定的实用性和科学性，它具有方便简单、精准度高等特点，它分析所得数据是可靠而有效的，通过应力分析能够得到构件在运动过程中不同部分所承受应变的大小，在在构件的设计方面具有十分重要的意义。endprint

5 结语

在本文中，结合使用UGNX和ADAMS，建立了一种具有稳定平台的载人球形机器人的三维模型，实现了一种能载人的球形机器人的设计，并且具有转向性，载人性和球壳的透明使得其更易操控，满足特殊环境下的探测具有很大的应用价值，运用虚拟样机，结合实例，通过球形机器人的运动仿真分析，有限元分析，验证了所提方案满足设计要求，为物理样机的研制提供了重要的依据。虚拟样机技术的运用缩短了设计周期，降低了设计费用，保证了方案的设计质量。

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