一 北师大二附中.docx

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一北师大二附中

调皮的“海宝”

—橄榄球型机器人的研制

项目研究小组：

台晓禹胡凯楠

指导教师:

闫莹莹石林

该项目获得2010年第30届北京青少年科技创新大赛一等奖

摘要：

橄榄球形机器人是一种自由移动的机器人平台，采用改变重心的方式使机器人运动。

橄榄球形机器人的运动策略设计吸收了圆柱型机器人和球形机器人共同的优点，如圆柱形机器人可以精确的直线移动，球形机器人可以全向移动并躲避障碍物等，橄榄球形机器人通过改变重心使机器人前进，并且内部加上了横向的移动，使重心横向移动，配合橄榄球的外形，使得橄榄球可以左右转弯以及前进，并且转弯时保持平衡。

外壳由两段弧形中间加上一段圆柱形组成。

在机器人转弯时，与地面接触点在两段弧上，并且通过改变接触点位置来改变机器人转弯半径。

机器人前进时触地部分为中间的圆柱，可以保证以直线前进。

内部结构由三个电机组成，主电机连接偏心块并居中放置，控制机器人的前进。

副马达带动细绳使内部结构通过左右两边的导轮与三个滑轨横向移动，从而使机器人的重心在左右方向上有改变，机器人因重心的前后改变，会向前或向后运动。

一旦重心的改变超过了外壳圆柱部分的范围，机器人将翘起。

通过公式推倒与计算，可算出机器人大约翘起的角度。

此时，机器人与地面的接触由面到点，机器人将绕点转向。

当把内部机构移动回初位置时，机器人由翘起变为水平，又可以在另一方向上继续进行前后移动。

整体操控均采用无线控制。

相比球形机器人，橄榄球形重心更低，并且内部空间利用方面也有优势；相比圆柱形机器人，可以通过调整重心转弯，扩展了运动范围，可以实现在向前向后移动的基础上左右转弯。

并且当两侧弧形近似半圆时还具有类似不倒翁的特性。

橄榄球型机器人在静态和动态运动情况下都可以保持系统的平衡与稳定，且不存在失稳状态，即使是与静态或动态的障碍发生碰撞也会在经过短暂的不规则运动后恢复稳态。

关键词：

橄榄球形机器人、球形机器人、全向滚动、驱动结构设计

一、研究背景

（一）球形机器人的发展现状

球形机器人是二十世纪九十年代中期以来才出现的一种新的机器人机构形式，它是一种将运动机构和控制器件包含在一个球形壳体内的机器人系统的总称，运动方式上以滚动运动为主，通过改变系统的重心来实现球体的滚动。

球形机器人的形状以球形或近似球形为主要特征，外壳采用有机玻璃、铝合金材料、塑料等坚硬的材料，主要应用于是研究、探测、娱乐等领域。

球形机器人的研究国内外的情况如下：

1996年，AarneHalme等人研制出了第一台具有真正意义上的球形运动机构，它是由一个支撑在球壳底部的单轮滚动来驱动球壳运动的球形机器人。

1997年，AntonioBicchi等设计了球形机器人“Spheric1e”，是将一个小车放置在球体的内部，小车的每个车轮各装有一个驱动电机，在车轮的前后用弹性支撑轮进行支撑，两轮小车携带有动力源、传感器、蓄电池和控制系统，所有这些设备构成较重的质量块，小车在自身的重量作用下，将车轮与球壳之间的滑动减少到最小。

2000年，ShourovBhattacharya和Sunilk．Agrawal提出了球形滚动机器人设想，它的外壳采用铝合金材料，由上、下两个半球壳组成，它的驱动系统是由两个互相垂直的转子构成的，球体内的各部件对称分布，保证了机器人的重心位于球体几何形中心，有效地防止了球体发生翻转。

2002年，AmirHomayounJavadiA．和PuyanMojabi开发了一种全方位球形运动机器人“August”，它可以实行自主式供电，逻辑控制系统采用对称方式，一部分安装在球体内部板块，一部分安装在球体外部控制模板上，通过无线电进行连接，在球内与球壳固联了成正四面体分布的四根支柱杆，通过改变支柱杆上配重位置来驱动系统的运动。

在国内，北京航空航天大学机器人研究所先后设计了新型的月球探测车运动结构—球型智能单元和一种结构简单、控制方便的球形移动机器人BHQ-1G；北京邮电大学自动化学院机器人实验室从20OO年起开始了球形机器人的研究工作，并陆续开发出了型号为BYQ-1、BYQ-2和BYQ-3的球形机器人；哈尔滨工业大学也于2003年设计制造了一种典型的球形机器人--球形运动器。

（二）球形机器人技术的特征

目前，球形机器人研究的焦点集中在推进器装置和控制策略两个方面。

在推进器装置方面目前有单轮驱动、小车驱动、万向轮驱动、电机定子反转驱动和配重体驱动，球形机器人采用了不同的驱动方式，各有特色，实现了球体的滚动。

但是这些方案中没有在球体内提供一个相对稳定的平台，球壳内的所有部件随着球体一起滚动，无法作为移动式机器的搭载平台。

球形机器人具有运动全向性的特点，和地面是单一点的接触，属于纯滚动摩擦，阻力小，运动灵活，适应在崎岖不平的地面上运动，但由于运动惯性作用，在运动的方向上不稳定。

二、基本思路和创新点

（一）基本思路

随着人类探索的逐渐深化，工程技术和信息技术的不断发展，我们常见的轮式、腿式、履带式移动机器人已经应用到日常的工程和生活领域。

由于这类机器人在运动中的局限性，在某些环境中难以运用，如果能设计出一种类似不倒翁的机器人，就可以在恶劣环境下都保持系统的平衡与稳定，且不存在失稳状态，即使与静态或动态的障碍发生碰撞，也可以在经过短暂的自身调整后恢复稳态。

因此，以滚动方式行走，运动动力依靠内部驱动装置和外部摩擦力提供的球形或类球形机器人就成为我们这个项目设计的主要目标。

球形机器人既具有像轮式移动机器人的快速行走能力，又能像腿式机器人一样，在不平整的复杂地形中运动，同时运动连续性强，具有良好的运动方向可控性。

尽管球形机器人在内部结构上千差万别，但大多数都采用重力矩进行驱动。

在球形机器人研究的基础上，北交大研制出了圆柱体的机器人，它具有了球形机器人的技术特征，在运动中直线运动方向性稳定，缺点是只能直线运动。

我们设想研制一种用球形机器人的原理，结合圆柱体的机器人功能的新型机器人----橄榄球形机器人，解决运动方向稳定性的问题。

橄榄球形机器人仍采用改变重心方式使机器人运动，可以实现在向前向后移动的基础上左右转弯，具有类似不倒翁的特性，移动速度可相对较快，可以用遥控的形式控制运动方向，扩展性较好。

（二）创新点

1、结构设计的主要特征

橄榄球形机器人是一种自由移动的机器人平台，相比球形机器人，橄榄球形重心更低，并且在内部空间利用方面也有优势；相比圆柱形机器人，可以通过调整重心转弯，扩展运动的范围。

在更改重心使机器人前进的情况下加上了横向的移动，配合橄榄球的外形，使得橄榄球可以左右转弯以及前进。

在静态和动态运动情况下都可以保持系统的平衡与稳定，且不存在失稳状态，即使是与静态或动态的障碍发生碰撞也会在经过短暂的不规则运动后恢复稳态。

外部设计分三个部分，分别是两侧的弧形和中间的圆柱形。

在机器人转弯时触地时，是通过调整接触点改变转弯半径，中间的圆柱部分为机器人前进时触地部分，可能会加大长度以加大前进时的接触面积。

内部设计把移动的电机改为两个，并居中放置，另外电机连线改为卷轴设计，中控分别连接两根相同控制源的电线。

导线从外壳的侧轮中穿过。

绳子的材料，可以用钢丝绳，比较坚固，并在电机上多缠几圈以加大自锁能力，以使内部结构左右移动。

并在内部加入长度传感器，使得内部结构在转弯后归位，然后直行。

2、三种不同形状的机器人性能比较

与圆柱型机器人以及球形机器人的对比，橄榄球形机器人在设计结构上的有明显的优势，如表1所示。

表1：

橄榄球形机器人与圆柱型机器人、球形机器人的比较

功能比较

机器人

圆柱形机器人

球形机器人

橄榄球形机器人

是否可以全向移动

否

是

是

是否可以精确的直线移动

是

否

是

是否可以拓展外部设备

是（两侧）

否（球体表面不能有外部设备）

是（两侧）

是否可以拓展内部设备

是

是

是（两侧空隙）

是否可以躲避障碍物

否

是（改变路线）

是（改变路线）

同等体积所占大小注1

9.42

1.57

5.23

空间利用注2

约80%

约40%

约70%

可用拓展空间注3

约50%

约40%

约30%

注1：

以一体积立方体所占机器人的体积计算（如：

等大小的一个盒子，壁与机器人相切，其中所放的机器人的体积大小的比例，值越大所占空间越小）。

注2：

以通过中心改变机器人位置为原理的机器人计算。

注3：

以通过改变重心移动的机器人为原理计算，其中橄榄球形机器人与同球形机器人相似结构的机器人计算。

如图所示：

综上所述，我们设计的橄榄球形机器人与以往球形和圆柱形机器人在形状和内部结构方向都有所不同，是设计中的创新点。

三、研究过程

我们从年初开始，历经一年时间从确定研究目标到完成模型制作，经历了一个项目的研究的全过程。

而这个研究的过程是我们参加项目工作的主要目的，是学习的重要内容。

表2项目研究时间表

时间

目标

内容

2009年1月-2月

学习和确定研究方向

1、学习对不同种类的机器人的功能和原理

2、了解数控机床

3、学习结构设计与机械制造的理论

4、确定研究方向

2009年3月-6月

研究初步方案

1、设计了备选的4种方案，并进行分析对比

2、确定2种方案，进行设计

3、听取专家的意见，进行修改

4、确定初步方案

2009年7月-8月

项目结构设计

1、熟练掌握Solidedge软件制图

2、制作模型的三维设计图

3、学习电机连接方式、转动副的结构、移动副结构知识

2009年9月-2010年1月

项目模型设计与制作

1、完善模型设计图

2、进行结构计算

3、设计工程图

4、实验室完成零件加工、组装和调试。

（一）学习和确定研究方向阶段

2009年1月，在北京交通大学机械与电子控制工程学院先进设计理论与制造技术实验室，导师们给我们介绍了机构学、移动机器人等主要研究方向的基础知识。

随后我们对不同种类的机器人的进行了功能的分析和原理的学习，包括无人车、八连杆步行机器马、四步步行车、球形机器人、四边行爬行车、走八方机器人、圆柱体机器人、变径车轮、六杆机器人和轮腿符合式机器人等十几个种类，还在博士生的带领下参观了实验室的数控机床，了解了数控机床是如何工作的，这是我们第一次接触数控机床。

通过学习和导师的讨论，我们决定研究的方向定位于橄榄球形机器人的研究与制作。

导师对我们提出了要求：

要学习结构设计与机械制造的理论，学习科研工作的主要方法，锻炼提出问题和思考问题的能力，重点在研究的过程。

（二）研究初步方案阶段

2009年3月-6月，我们在北京交通大学先进设计理论与制造技术实验室开始了项目初步方案的研究工作。

过程如下：

1、初步方案的设计

我们和导师详细讨论了整体中的离心模块左右滑动的问题，设计了四种方案：

中心丝杠方案、伸缩副方案、内壁丝杠的方案和滑轮组移动方案，每一种方案分别画出了离心轮结构、电机机构、连杆等内部结构和外观的草图，随后进行细节的研究，具体分析了四种方案的可行性：

●中心丝杠方案，这种方案不能使内部得到有效的固定，即两轴互相干扰。

●伸缩副方案，这种方案无法有效的自锁，在转动过程中可能偏差很大，所以不好控制方向。

●内壁丝杠的方案，即在内部结构外设置丝杠，以便内部结构左右移动，并且具有有效的自锁功能。

●滑轮组移动方案。

这个方案较有新意，也比较简单。

最后总结出有两个较好也比较可行的备选方案：

内壁丝杠的方案和滑轮组移动方案。

2、备选方案的讨论

随后进行细节的研究，讨论了前进时内部的偏心轮的状态问题。

如：

在前进的过程中，偏心轮大约与地面只有平动，可能只有较小角度的转动。

简单研究了材料的问题，一是外壳材料的选用，可以选铁皮或者塑料；二是，中间固定绳子的材料，可以用钢丝绳，比较坚固，并在电机上多缠几圈以加大自锁能力；三是电机的选用，着重考虑电机的自锁能力。

讨论内部和外部构型的问题，外部设计定为圆筒加两个圆弧锥，内部方面也有了进展，移动块做成长方体形状，内部通过两个凹槽固定轮子，摩擦形式从原来的滑动摩擦转化为滚动摩擦，减少了摩擦。

讨论重心计算的问题。

为了更广泛地听取专家的意见，我们到北航机器人研究所拜访了机器人研究的专家教授，听取了专家对我们初步方案的意见。

首先专家对我们的设计的创新性进行了充分的肯定，并且提出了“停止的方式与转弯的准确方法”的问题让我们思考。

经过讨论，我们有如下思考：

1）“停止的方式”：

可以用有自锁能力的电机，这种方法可以实现在转动一周之内停止。

如果使电机反转，实现急停，这种方法可行性有待考证，因为直行的惯性与拐弯的不同，而且与速度大小也有一定的关系，但实现短时间停止不是不可行，我们会进一步深入研究。

2）“转弯的准确”：

想通过电脑控制转弯精确，可以加入重力感应模块（陀螺仪）实行实时调整，以控制偏转角。

（三）结构设计阶段

2009年7月—8月：

项目的设计阶段。

这个阶段重点是完善结构，完成模型的三维设计图。

我们利用假期时间，自学并向导师请教，熟练掌握了Solidedge软件的制图功能，根据初步方案，进行零件的三维造型，完成橄榄球机器人的模型设计图。

并且学习了一些常用机械结构知识，如电机连接方式、转动副的结构、移动副结构等。

（四）模型设计与制作阶段

2009年9月-10月：

继续完善模型设计图，重点是结构计算的数据的准确性，为下一步的制作工程做好准备。

还研究了控制系统的实现，寻找适合的电机与外壳材料，制作模型。

根据现成圆柱形机器人的内部结构加上简单的机械构成大体的结构，进行结构准确数字计算，研究前进与转弯的精确性与可行性。

2009年11月-12月：

模型制作的工程阶段，完善工程图，在实验室完成零件加工、组装和调试。

四、橄榄球形机器人设计方案

（一）结构设计

图整体solidedge装配图

1、外壳设计

（1）外壳总体设计

我们对比了圆柱形机器人和球形机器人的外壳设计，全面考虑了各自的优缺点，把两种机器人的外壳结合起来，便有了橄榄球的外形。

如图1所示。

图1橄榄球形机器人外形

外壳由两部分组成，图中左右两部分分别由两个灯罩组成，中间部分是一段圆柱体。

（2）外壳单体

如图2所示，外壳的切面形状是由一条线段与两段弧组成，线段可以保证机器人直线移动时的精确度，而弧形则可以在转弯时起到更改转弯半径的作用。

在重量较轻的情况下保证机器人的正常运动。

图2外壳

如图3所示，两个小孔用来和内部的导槽连接，用倾斜角设计以便螺丝的安装。

图3外壳孔

（3）导槽

如图4所示，导槽正中有两个小孔，用来与外壳固定。

导槽的两端是弧形的，目的是与外壳的内部贴合。

材料选用铝，可支撑住内部的重量。

图4导槽

（4）总体装配

如图6所示，是机器人的侧视图，三个导槽分别在外壳上固定。

三个导槽成120度夹角的好处在于当橄榄球运动，内部结构与外壳接触时可以分担重量，并有效防止内部结构左右移动时卡死情况的出现。

图6

2、内部设计

（1）内部结构

如图7所示，内部设计以一个圆板为基础，分别在左右加装一个电机，并与外壳上的侧轮连接，用来使内部结构整体移动。

并在中心加装一个主电机，带动偏心块旋转，圆板两侧分别是中央控制电路和电池组。

整体结构均以铝板与钢板为主，这样可以加大内部重量，在转弯时利于倾斜。

图7内部总体结构

（2）圆板

如图8所示，圆板上有一个电机的轴，和三个装配小滑轮的滑块以便于外壳配套。

这个圆板为内部的中心结构，材料选用铝板。

图8圆板

（3）偏心块

如图9所示，偏心块采用钢为材料，上下重量之比为1：

3，在电机的带动下旋转，以起到前进的作用。

偏心块的电机选用了较大功率的电机，为了在启动与停止的过程中起到作用。

图9偏心块

（4）控制左右移动的方式

圆板两侧分别安装两个侧向电机，如图10所示，卷轴上卷有线，绕过外壳侧轮上的导槽回到圆板固定。

通过电机工作使得内部结构左右移动，以实现左右倾斜的功能，以实现转弯。

电机的选择可以是长40的12V电机。

并加入长度传感器，在内部左右移动的同时得知移动距离，并有利于内部结构的归位。

图10侧向电机

（5）导轮

如图11所示，导轮由橡胶做成，可以把内部结构与外壳的滑动摩擦转化为滚动摩擦，大大降低了摩擦。

图11导轮

（6）导轮与导槽

如图12所示，红色为导轮，透明结构为外壳，导轮与导槽不完全贴合，为了在滚动过程中提供良好的支撑。

图12导轮与导槽

3、不倒翁的设想

在橄榄球的基础上把外壳加以改进，可实现类似不倒翁的功能，提高了机器人的娱乐性。

如图13所示，把两侧的弧度加大，便成了两个半球家中间的圆柱。

当内部重物移到一侧时，整体机器人便会像不倒翁一样站起来。

由于内部中午还会旋转，因此重心点不断变化，便形成了一个会动的不倒翁。

图13改进外壳

图14不倒翁

当内部左右移动时，不倒翁便可以从“站起来”的状态变为“躺下”的状态，再次移动，便可使不倒翁“头着地”，增加了许多趣味性。

（二）运动策略的设计

在运动策略设计中橄榄球形机器人吸收了圆柱型机器人和球形机器人共同的优点，如圆柱形机器人可以精确的直线移动，球形机器人可以全向移动并躲避障碍物等，橄榄球形机器人可以在更改重心使机器人前进的情况下加上了横向的移动，配合橄榄球的外形，使得橄榄球可以左右转弯以及前进，并且转弯时保持平衡。

1、前后运动

先通过无线操纵，让驱动重物的马达工作，使重物绕轴转动。

因为重物上半部分的质量是下半部分的1/3，所以重物的重心会因操纵而向前或向后偏移，进而使机器人重心偏移。

机器人因重心的前后改变，会向前或向后运动。

2、全方位运动

通过无线操纵，副马达开始工作，通过左右两边的导轮与三个滑轨，细绳使整个内部机构左右平移。

从而使机器人的重心在左右方向上有改变。

一旦重心的改变超过了外壳圆柱部分的范围，机器人将翘起。

通过之前的公式推倒与计算，可算出机器人大约翘起的角度。

此时，机器人与地面的接触由面到点，机器人将绕点转向。

当把内部机构移动回初位置（用内置的长度传感器可测）时，机器人由翘起变为水平，又可以在另一方向上继续进行前后移动。

3、偏转角度的计算

为了更精确地掌握橄榄球形机器人的转弯性能，需要计算出橄榄球中的重物臂移出圆柱体部分后，橄榄球的偏转角度。

如图15所示，橄榄球中的重物臂未移出圆柱体部分时，建立红色直角坐标系1，坐标系以点o为原点。

图15坐标系1

当橄榄球中的重物臂移出圆柱体部分时，橄榄球发生偏转，以翻转后的地面为坐标系建立蓝色直角坐标系2，原点o在橄榄球的弧上。

如图16所示。

图16坐标系2

从坐标系1得出：

外壳重心的坐标Ga（50，110），重物臂的重心坐标Gb设为（-x，110）。

从坐标系1转化到坐标系2中：

可得出Ga在坐标系2中X轴的射影为La，可得出Gb在坐标系2中X轴的射影为Lb。

根据杠杆原理

得：

下面画出θ与偏移x的图像为f（x），以及La与偏移x的图像为h（x）。

如图17所示，蓝色为f（x）函数，红色为h（x）函数。

图17f（x）函数与h（x）函数的关系

从图17上的f（x）函数与h（x）函数的关系可知，当重心块偏出橄榄球体圆柱部分1cm时，球体开始发生第一个约23度的偏转。

当球体继续偏移时，随着x的增加，θ始终增加。

然而，随着θ的增加，橄榄球便可以调整转弯半径，做圆周运动，以便转弯。

如图17所示。

这样，橄榄球形机器人就可以像一个不倒翁一样做圆周运动，又可以控制它直线行走，达到我们的设计方案中的运动策略。

然而由于橄榄球内部偏心块在倾斜过程中同时也伴随旋转，所以重心点不能稳定，因此橄榄球转弯路径不会像圆弧一样精确，而是会摇摆，但总体方向不会有很大的变化。

然而这种路径的不确定性正是橄榄球形机器人转弯时的特点，而且当这种特点在“不倒翁”上体现时，可以提供出乎意料的娱乐体验，即在不倒翁“站起来”时会不停的摇摆、自转，比传统不倒翁增加了很多娱乐性。

（三）实际应用的规划

1、“会行走的”不倒翁和“头朝下的”不倒翁

将目前橄榄球型机器人的外形加以修饰，并将两侧的“圆锥”改为半球，将中间的圆柱部分适当缩小半径。

同时，内部结构不变，且功能不会减少。

因此，可以制成“会走的不倒翁”及“头朝下的不倒翁”。

当内部结构移动到机器人的一侧时，此时机器人便因重心在半球体上，便可以“站起来”或者“头朝下了”了。

由于内部电机可以带动偏心块旋转，就能形成自己会旋转的不倒翁，有很大的娱乐性能。

可用于展览展示中的吉祥物，娱乐方面的儿童玩具等。

2、“永垂直”装置

可以加上连杆，使之成为“永垂直”装置。

在橄榄球型机器人处于水平时的两端加上垂直于地面的两个支杆。

支杆与橄榄球两侧的焦点可安装一些部件，使它能够承受一定的重量，如图18所示。

图18永垂直”装置

当地面出现侧斜时，部件轴转动，橄榄球机器人会随斜面侧斜，但支杆依旧可以垂直于地面，如图19所示，因此，可以称之为“永垂直”装置。

还可以在平衡物上加装摄像等拓展设备。

图19平衡物与地面保持水平状态

3、军用反恐机器人

可在橄榄球形机器人的基础上加以拓展，在内部拓展出复眼结构，用于军事反恐机器人。

由于外壳可以做成透明材质，在外壳内部的两侧导轮上加上复眼结构时，可用于侦查。

其中，复眼可为多种传感器，如：

摄像机、红外传感器等。

这些传感器可以在远程遥控提供条件的情况下，传回需要的数据，达到侦查探测的目的。

同时，由于橄榄球形机构或不倒翁机构的球形特点，可以研究光滑表面使其不易被抓住。