一种变直径球形机器人结构设计与控制

来源：机器人杂志2024年第5期北京时间：

作者：王志豪, 段富海

摘要：为给球形机器人增加变直径功能, 设计了一种由20个六边形单元、12个五边形单元及其连接件组成的变直径球壳机构, 在其表面覆盖一层弧面元件, 以确保球壳在滚动中的平顺性。为确保球壳内部机构始终处于球壳球心位置, 设计了差动式对中机构。分析差动式对中机构中结构尺寸与球壳直径的关系, 采用PID(比例-积分-微分)控制器, 使球形机器人能够控制自身直径在220~329 mm之间改变。在机器人坠落触地时, 利用球壳直径的改变与对中机构中电机的抵抗扭矩减小冲击, 保护机器人内部结构。为使球形机器人具备在水平面内的全向运动能力, 将机器人的运动分解为直线运动和转向运动。采用拉格朗日动力学方程对机器人直线前进运动进行分析, 对前进电机旋转角速度进行闭环控制, 使得机器人能够较为准确地跟踪基于高斯函数的目标速度曲线。采用牛顿-欧拉法对转向运动进行分析, 对质心在机器人内部的侧向偏置进行闭环控制, 实现了半径约为1 m的匀速圆周运动。

关键词：球形机器人, 变直径球壳, 对中机构, 控制方式