全向运动球形机器人的设计与实现

【摘要】：球形机器人是一种具有球形外壳并以滚动为主要运动方式的智能机器人,其球状外形使得它具有转向灵活、环境适应性强、运动效率高的优点。因此,该类机器人在军事侦察、环境感知等领域有着广阔的应用前景。现有的球形机器人方案各有千秋,但大都存在着结构复杂、工程实现困难的不足。特别是,转向运动与前进运动的耦合用神经网络设计自动跳舞机器人控制系通过,使得球体内部驱动机构的状态或姿态不确定,加大了控制难度;无外部固定接口或不能在球壳外搭载附件用神经网络设计自动跳舞机器人控制系通过,造成充电与维护困难,并限制各种环境探测传感器或机械手的有效使用,降低了球形机器人的实用性。上述问题在很大程度上限制了球形机器人的推广应用。本文提出了一种结构简单、易于实现、运动控制解耦、维护方便的球形机器人方案。该机器人内部安装有一框架,直线行走装置带动框架使球体重心前后移动从而推动球体直线运动;质量小车在框架上左右移动,使球体重心左右偏移从而实现球形机器人的转向运动。论文的主要工作如下:1)分析了球形机器人的研究现状以及在研究中存在的主要问题。针对国内外几种代表性方案的不足,提出一种新型的全向运动球形机器人设计方案SSR(Smart Spherical Robot)。2)设计了SSR机械结构,并分析其运动性能,进行了运动学和动力学分析和仿真。3)设计并实现了SSR本体控制系统电路,编写了软件程序代码。4)设计实现了基于WSN(Wireless Sensor Network)的SSR无线遥测系统。首先设计了一种可搭载在移动机器人上的运动型WSN,然后进行了基于运动型WSN的SSR无线遥测系统设计。5)开展了本体控制系统实验和无线测控系统实验,验证SSR控制系统和无线测控系统的功能,并进行软硬件综合调试总结。