可跟随球形机器人控制设计
球形机器人从出现第一个原型机开始迄今已有二十一年的历史，相比传统机器人，球形机器人不但结构简洁，而且控制简便，还具有传统机器人所不具有的全方位运动的功能。本次设计在国内外前人设计出的结构的基础上提出了新的工作原理以及结构设计方案，是个适合儿童使用的家庭智能玩具。 本次论文在第二章阐明了球形机器人的工作原理并且通过三维建模软件PROE进行了建模，论述了球形机器人结构设计的方式以及动力传导的方式。第三章讨论的则是如何控制球形机器人，使用图表以及框图介绍了整个控制系统的组成，并且对部分数据进行了可行性的讨论。关键词 球形机器人，全方位，儿童玩具，三维建模
目录
1 引言 1
1.1 课题背景 1
1.2 应用领域 1
1.3 国内外发展现状 2
1.4 课题研究的意义 4
1.5 内容安排 5
2 工作原理和结构设计 5
2.1 工作原理 6
2.2 设计目标和设计原则 6
2.3 方案设计 7
2.3.1 三维建模 8
2.3.2 配重设计 11
2.3.3 控制方式设计 12
2.3.4 尺寸设计 13
2.3.5 外壳设计 13
2.4 小结 13
3 控制系统设计 14
3.1 单片机控制模块 14
3.2 控制程序 17
3.3 遥控装置 18
3.4 电源 18
3.5 小结 18
结 论 20
致 谢 21
参考文献 22
1 引言
1.1 课题背景
二十一世纪以来，随着机器人运用领域范围的不断拓展，其面向的工作环境也越来越恶劣，诸如国防装备、灾难搜救、行星探测以及军事侦察等。然而在这些工作环境中地面并不都是没有坡度的平坦道路，不仅可能有坡度而且可能存在形状各异的障碍物以及深浅不一的凹陷，甚至可能就连气体都存在毒性，这对机器人的场地适应能力和运动灵活性提出了很严苛的要求。在这样的需求之下，一种新型的智能机器人逐渐诞生了——球形机器人。球形机 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
器人外壳形态多半是球形或者其他材料例如钢丝构成的球形框架，以滚动的方式行走，依靠内部驱动装置驱动从而改变自身重心位置产生驱动力矩，除此之外，外部也有摩擦力提供动力。它不但综合了足式机器人越野性好和轮式机器人能耗比高、承载力强、移速快的特点，而且还具有其他种类机器人所不具有的结构简洁、易于控制等特点[1]。
球形机器人作为一种新式智能型的机器人，它的市场发展潜力无疑是巨大的，在这一方面球形机器人相比传统轮式机器人和足式机器人具有着巨大的优势。球形机器人自1996年研制出第一台具有真正意义上的球形运动机构起，迄今已经有二十一年的历史，全球各地的科研人员相继开展了研究工作，并在运动控制、姿态控制等领域进行了理论方面和实践方面的研究，并且已经取得了一定的研究结果[2]。
1.2 应用领域
由于球形机器人有上文所述综合优点，所以球形机器人已经开辟了一条崭新的研究探索方向，未来它的应用空间良好，研究空间也相对广泛[3]。下面大致列举出几点球形机器人可能在将来发挥重大作用的领域：
军事应用方面。如果让球形机器人内部或外部携带炸弹或者毒气弹，通过机器人自身所带的传感设备以及摄像头等设备实现远程遥控控制，进入敌人领地将成为一件轻而易举的事，从而成为一个智能化的军事武器。然而球形机器人在军事上的用途则远远不止于仅仅是一个一次性使用的自杀式武器，相信在未来更多的功能还会被开发出来的。
交通运输方面。交通运输无论是载人还是载物都需要有承载能力强的特点，承载力大了，动力也需要相应更充足，而球形机器人以上特点都具有，以后或许可以成为一种较为合适的新式运输工具。
休闲娱乐方面。若是将球形机器人同比例放大就可以成为一种游乐工具，人可以在保持头部向上的基础上坐在里面驾驶。但是与汽车不同的是它可以实现沿任一方向的滚动，但是人始终是保持平稳坐在其中的。若是再在外部加装防撞材料或许可以成为新的“碰碰车”。另外，还可以将球形机器人按比例缩小，加入摄像头等装置，使其成为一种智能家庭娱乐玩具，相信定会引起小孩子的兴趣。本文就是针对这一方面，通过对它进行建模，制造出一种低成本的球形儿童玩具机器人。
1.3 国内外发展现状
1.3.1 国外发展现状
国外球形机器人研究开始比较早，与国内相对照成熟度也相对更高，下面介绍两种国外研制出的较为成熟的球形机器人样机结构图。
1996年，第一台真正意义上的球形运动机构“Sphericle Mobile Robot”在芬兰赫尔辛基工业大学的自动化技术实验室被研制出来，如图1.1所示。它由控制箱、支撑轴、动力系统、弹簧、平衡小轮以及操纵轴组成。它的外部是一个球壳，在球壳内部竖直放置有一个单轮运动杆，在小轮上方安装有一个独立于其他部件的控制盒，控制盒内部带有蓄电池、重力感应传感器、控制电路板、电动机及传动装置等设备，控制盒下方装有转向节，杆上方装有平衡轮以及弹簧，可以应付轻微颠簸的路况。依靠电机驱动动力轮使得内部装置的重心产生偏移，从而驱动整个系统运动。但是这种设计也有一个缺点，由于该结构使用的是单轮驱动，所以相对来说具备一定的局限性，无法实现全方位的运动[4]。
图1.1 芬兰的赫尔辛基工业大学设计的Sphericle Mobile Robot
2002年，来自美国密歇根州州立大学的Amir Homayoun A和Puyan Mojabi协同研发了一种四驱动球形机器人“August”，这种机器人推陈出新地使用了内部推动装置，如图1.2所示，这种内部的推进机构可以将本身所受的重力沿球体内部的机械结构轮辐状地发散开来，并且可以使机器人加速运动，匀速运动。这种框架可以提供极高的稳定性，并且具有前后以及左右两个方向的运动能力，球形机器人的电源选用的是置于内部的蓄电池，此外还有一个有特点的设计思路，控制系统并没有安装在同一个地方，而是分散地安装的，部分安装在球心处，还有另一部分则安装在球壳之上，为了保证通讯不被干扰，使用有保障的无线电通信系统对其内部机电系统发出控制指令，“August”装配的原则是围绕着最中心点中心对称，这样就能保证球体在不运动时可以保持平衡，保证质心和形心处于同一点[5]。
目录
1 引言 1
1.1 课题背景 1
1.2 应用领域 1
1.3 国内外发展现状 2
1.4 课题研究的意义 4
1.5 内容安排 5
2 工作原理和结构设计 5
2.1 工作原理 6
2.2 设计目标和设计原则 6
2.3 方案设计 7
2.3.1 三维建模 8
2.3.2 配重设计 11
2.3.3 控制方式设计 12
2.3.4 尺寸设计 13
2.3.5 外壳设计 13
2.4 小结 13
3 控制系统设计 14
3.1 单片机控制模块 14
3.2 控制程序 17
3.3 遥控装置 18
3.4 电源 18
3.5 小结 18
结 论 20
致 谢 21
参考文献 22
1 引言
1.1 课题背景
二十一世纪以来，随着机器人运用领域范围的不断拓展，其面向的工作环境也越来越恶劣，诸如国防装备、灾难搜救、行星探测以及军事侦察等。然而在这些工作环境中地面并不都是没有坡度的平坦道路，不仅可能有坡度而且可能存在形状各异的障碍物以及深浅不一的凹陷，甚至可能就连气体都存在毒性，这对机器人的场地适应能力和运动灵活性提出了很严苛的要求。在这样的需求之下，一种新型的智能机器人逐渐诞生了——球形机器人。球形机 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
器人外壳形态多半是球形或者其他材料例如钢丝构成的球形框架，以滚动的方式行走，依靠内部驱动装置驱动从而改变自身重心位置产生驱动力矩，除此之外，外部也有摩擦力提供动力。它不但综合了足式机器人越野性好和轮式机器人能耗比高、承载力强、移速快的特点，而且还具有其他种类机器人所不具有的结构简洁、易于控制等特点[1]。
球形机器人作为一种新式智能型的机器人，它的市场发展潜力无疑是巨大的，在这一方面球形机器人相比传统轮式机器人和足式机器人具有着巨大的优势。球形机器人自1996年研制出第一台具有真正意义上的球形运动机构起，迄今已经有二十一年的历史，全球各地的科研人员相继开展了研究工作，并在运动控制、姿态控制等领域进行了理论方面和实践方面的研究，并且已经取得了一定的研究结果[2]。
1.2 应用领域
由于球形机器人有上文所述综合优点，所以球形机器人已经开辟了一条崭新的研究探索方向，未来它的应用空间良好，研究空间也相对广泛[3]。下面大致列举出几点球形机器人可能在将来发挥重大作用的领域：
军事应用方面。如果让球形机器人内部或外部携带炸弹或者毒气弹，通过机器人自身所带的传感设备以及摄像头等设备实现远程遥控控制，进入敌人领地将成为一件轻而易举的事，从而成为一个智能化的军事武器。然而球形机器人在军事上的用途则远远不止于仅仅是一个一次性使用的自杀式武器，相信在未来更多的功能还会被开发出来的。
交通运输方面。交通运输无论是载人还是载物都需要有承载能力强的特点，承载力大了，动力也需要相应更充足，而球形机器人以上特点都具有，以后或许可以成为一种较为合适的新式运输工具。
休闲娱乐方面。若是将球形机器人同比例放大就可以成为一种游乐工具，人可以在保持头部向上的基础上坐在里面驾驶。但是与汽车不同的是它可以实现沿任一方向的滚动，但是人始终是保持平稳坐在其中的。若是再在外部加装防撞材料或许可以成为新的“碰碰车”。另外，还可以将球形机器人按比例缩小，加入摄像头等装置，使其成为一种智能家庭娱乐玩具，相信定会引起小孩子的兴趣。本文就是针对这一方面，通过对它进行建模，制造出一种低成本的球形儿童玩具机器人。
1.3 国内外发展现状
1.3.1 国外发展现状
国外球形机器人研究开始比较早，与国内相对照成熟度也相对更高，下面介绍两种国外研制出的较为成熟的球形机器人样机结构图。
1996年，第一台真正意义上的球形运动机构“Sphericle Mobile Robot”在芬兰赫尔辛基工业大学的自动化技术实验室被研制出来，如图1.1所示。它由控制箱、支撑轴、动力系统、弹簧、平衡小轮以及操纵轴组成。它的外部是一个球壳，在球壳内部竖直放置有一个单轮运动杆，在小轮上方安装有一个独立于其他部件的控制盒，控制盒内部带有蓄电池、重力感应传感器、控制电路板、电动机及传动装置等设备，控制盒下方装有转向节，杆上方装有平衡轮以及弹簧，可以应付轻微颠簸的路况。依靠电机驱动动力轮使得内部装置的重心产生偏移，从而驱动整个系统运动。但是这种设计也有一个缺点，由于该结构使用的是单轮驱动，所以相对来说具备一定的局限性，无法实现全方位的运动[4]。
图1.1 芬兰的赫尔辛基工业大学设计的Sphericle Mobile Robot
2002年，来自美国密歇根州州立大学的Amir Homayoun A和Puyan Mojabi协同研发了一种四驱动球形机器人“August”，这种机器人推陈出新地使用了内部推动装置，如图1.2所示，这种内部的推进机构可以将本身所受的重力沿球体内部的机械结构轮辐状地发散开来，并且可以使机器人加速运动，匀速运动。这种框架可以提供极高的稳定性，并且具有前后以及左右两个方向的运动能力，球形机器人的电源选用的是置于内部的蓄电池，此外还有一个有特点的设计思路，控制系统并没有安装在同一个地方，而是分散地安装的，部分安装在球心处，还有另一部分则安装在球壳之上，为了保证通讯不被干扰，使用有保障的无线电通信系统对其内部机电系统发出控制指令，“August”装配的原则是围绕着最中心点中心对称，这样就能保证球体在不运动时可以保持平衡，保证质心和形心处于同一点[5]。
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