毕业设计（论文）类型（划√）

工程设计

应用研究

开发研究

基础研究

其他

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一、 本课题的研究目的和意义：

目的：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。这些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，但是这些推进器装置还是存在着一些不足：首先，在这些方案种球体内无法提供一个相对稳定的搭载平台，导致了无法实现有效的应用；其次，各方案

中的驱动机构是互相关联的，形成某种约束和限制，无法真正实现平面二维的无条件自由运动。本文针对这些问题，在小车驱动的球形机器人的球壳内部设计一个相对稳定的工作平台，用承载球内构件，保证球内构件在球形机器人运动时有较为稳定的工作环境，并对该系统进行力学分析，最终完成球形机器人的结构设计。

意义：机器人在现代生活中正逐渐代替人类发挥着日益重要的作用。近年来，随着机器人技术的迅速发展、应用范围的扩大和自动化程度的进一步提高，人们对机器人的功能提出了更高的要求，特别是需要各种具有较合理的机器人优化结构和不同程度智能的机器人装置。与此同时，机器人面临的工作环境也越来越恶劣，如外星探索、极地探测、军事侦察以及反恐行动等。在在这些应用领域中地形环境往往很复杂，存在各式各样的障碍物，有时还存在危险性，这就要求机器人具有很强的机动性和灵活性。

球形机器人就是这样的一种机器人：具有一个球形或类球形的外壳，以滚动方式行走，运动动力依靠内驱动装置改变自身重心得位置和外界摩擦力提供。球形机器人所有的驱动装置、动力源、各种传感器和执行器等都被布置于球形外壳的内部。由于球形机器人所有的零部件都封装在一个球壳内，因此其内部部件可以得到可靠保护。从球形机器人的外形来说，球形结构可以使其内部体积最大化。球形机器人是机器人运动方式的突破，其最大的特点是运动方式特殊，球形的外壳将使机器人能在失稳后获得最大的稳定性，与轮式机器人相比，不存在翻到的问题，并且能在多个方向上实现滚动；与步行或爬行机器人相比，具有运动速度快、承载能力强的特点，而且具有驱动少、控制简单的优势。另外，球形机器人又是一种新型机器人，其造型新颖别致，行动灵活，几乎没有死角，转弯半径很小，可以轻易地实现零角度原地自旋转弯；其球形结构可以自由地向任何方向旋转实现全方位滚动行走，所以对球形机器人来说所有的位置都是稳定的；在球形机器人执行未知环境探测等任务的过程中，当与障碍物或其他运动机构发生碰撞时，球形结构具有较强的自我恢复能力，球形的外壳也使机器人能够轻易滚过粗糙的地形。同时，由于球体滚动点接触的阻力相对滑动或轮式装置的线接触的运动阻力小得多，所以球形机器人还具有运动效率高、能量消耗低的优点。

基于这些独特的优势，球形机器人的研究倍受关注。目前，球形机器人的结构特点和运动特性的关系还有进一步深入研究的空间，所以本文充分的论述了球形机器的工作原理，运动和动力学分析及结构组成等。

二、 本课题的主要研究内容（提纲）和成果形式：

球形机器人是近年来出现的一种新型机器人系统，是一种将所有零部件都内置到球壳内的封闭式系统。目前，球形机器人研究的重点主要在驱动装置和控制算法两个方面。在驱动装置方面有单轮驱动、小车驱动、万向轮驱动、电机定子反转驱动和配重块驱动等，这些球形机器人采用了不同的驱动方式实现了球体的滚动。但这种设计方案中均未在球壳内部设计一个相对稳定的工作平台，此外，还存在控制麻烦，能耗较大，不适合在路况较差的路面行走等缺点。

本设计在充分研究国内外球形机器人结构的基础上，设计出一种新型球形机器人系统，并对该系统进行力学分析，最终完成球形机器人的结构设计与运动仿真。

要求：1.确定球形机器人的总体方案；

2.完成各零部件的选型计算及校核；

3.完成球形机器人三维图、二维图的绘制；

4.撰写设计说明书；

5.翻译相关的英文资料（不少于3000汉字）。

三、 拟解决的关键问题：

理论和实践表明，球形机器人具有很好的应用前景和广阔的研究空间。然而目前在我国在这方面的研究工作还不够深入，与球形机器人相关的许多问题都待解决。因此本文在充分研究国内外球形机器人结构的基础上，从理论深入分析球形机器人的工作原理和设计思想，设计出一种小车驱动球形机器人系统，并对该系统进行力学分析，最终完成球形机器人的结构设计与运动仿真。

本文将主要解决以下几方面问题：

（1）在球壳内部设计简单的相对稳定的小车驱动工作平台方便与各种仪器的载放。

（2）进行小车驱动球形机器人运动学及动力学的初步研究。

（3）零件设计及强度校核。

四、 研究思路、方法和步骤：

首先，了解机器人发展的概况，特别是国内对于球形机器人的研究以及应用前景，了解国内球形机器人存在的缺陷。

其次，了解球形机器人的工作原理，拟定结构设计方案，进行运动学和动力学分析了解球形机器人的合理控制方案，并针对其存在的缺陷进行优化设计。

最后，对球形机器人优化结果进行分析和总结。

五、 本课题的进度安排：

2016.12.25  发毕业设计任务书。

2016.12.25  根据毕业设计任务书，查询、下载、阅读、翻译相关文献。进行方案设计分析、比较，

~2017.01.09  完成开题报告，进行开题答辩。（2周）

2017.01.09  提交文献综述、英文文献翻译、开题报告等。

2017.01.09  完成方案的可行性分析（结构设计、建模、校核等），基本完成球形运动器的三维图、

~2017.04.07  二维图绘制等。（12周）

2017.04.07  毕业设计中期检查。

2017.04.07

~2017.04.15  继续修改图纸，进行资料整理。（1周）

2017.04.15

~2017.04.29  撰写论文初稿。（2周）

2017.04.29

~2017.05.05  完成手绘图纸，修改论文等。（1周）

2017.05.05  提交全部毕业设计（论文）资料。

2017.05.05

~2017.05.19  总结毕业设计，修改论文，制作答辩PPT等。

2017.05.19  论文答辩。

六、 参考文献：123

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[2]赵勃，孙立宁,李满天.球形机器人研究综述[J].机械与电子.2010.9（09），65-70

[3]张义刚.一种球形机器人的运动规划和控制研究[D].西安：西安电子科技大学，2006

[4]岳明.双驱动球形机器人及其运动控制的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008

[5]刘大亮.一种球形移动机器人的运动分析与控制技术的研究[D].北京：北京邮电大学，2009

[6]付清岭.全方位球形机器人的研究[D].北京：北京邮电大学,2003

[7]刘彦翀.应用于球形机器人内部的双轴稳定平台研究[D].北京：北京邮电大学，2010

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[9]马国静.全方位移动机器人的运动控制研究.机构学与机器人技术.2015.3

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[11]赵勃.同轴双偏心质量驱动球形机器人系统建立及运动控制研究.哈尔滨工业大学，2011.10

[12]岳明.双驱动球形机器人及其运动控制的研究.哈尔滨工业大学，2008.5

[13] Joshi V A, Banavar R N, Hippalgaonkar R. Design andanalysis of a spherical mobile robot. Mechanism andMachine Theory 2010; 45(2): 130-136.