带高速旋转飞轮的球形机器人结构设计与运动稳定性分析.pdfVIP

学兔兔 第49卷第3期 机 械 工 程 学 报 Vo1．49 NO．3 2013年 2月 JOURNALOFMECHANICALENGINEERING Feb． 2Ol3 DoI：10．39O1／JME．2013．O3．036 带高速旋转飞轮的球形机器人结构设计 与运动稳定性分析木 郑一力 孙汉旭2 f1．北京林业大学工学院 北京 100083； 2．北京邮电大学 自动化学院 北京 100876) 摘要：为提高欠驱动的球形机器人在低速运动时的稳定性，提出一种安装高速旋转飞轮的球形机器人。该机器人的机械结构 主要由球形外壳、内框、长轴电动机、短轴电动机和旋转飞轮构成。给出该机器人的简化模型和结构参数。在运动学分析的 基础上，采用带约束的拉格朗日方程建立该机器人的动力学模型，并对该动力学模型进行简化。模型分析结果表明：飞轮高 速旋转产生的陀螺效应可减弱外界干扰力矩的影响，保证球形机器人在低速运动时航向角的稳定性。在塑胶跑道上进行直线 定位运动试验，当飞轮高速旋转时，与飞轮停止时相比，机器人运动过程中的航向角偏差和航向角速度波动减小，运动结束 时机器人中心偏离直线的位移减小。试验结果证明了该设计的有效性。 关键词：球形机器人 飞轮 动力学模型 运动稳定性 中图分类号：TP114 M echanicalDesignandM otionStabilityAnalysisofaSphericalRobot EquippedwithHigh·r·ateFlywheel ZHENGYili SUN Hanxu2 (1．SchoolofTechnology，BeijingForestryUniversity,Beijing100083； 2．SchoolofAutomation，BeijingUniversiytofPostsandTelecommunications，Beijing100876) Abstract：Toimprovethemotionstabilityoftheunderactuatedsphericalrobotathtelowvelociyt,asphericalrobotequippedwihta high-rateflywheelispresented．Themechanicalstructureoftherobotismainlycomposedofashell，na innercase，along—axismotor, ashort—axismotorandaroattingflwy hee1．Thesimplifiedmodelna dstructuralparametersaregiven．Basedonhtemotionnaalysis， htedynma icmodelofhterobotisderivedbyhteconstrainedLagrangianmethod．na dthednyma icmodelissimplified．111emodel naalysisresultsshowthatthegyroscopiceffectsofhihg-rateroattingflwyheelcanreducehtenifluenceofhteexternaldisturbing torques，thereafterhteyawna