趙 偉,孫漢旭,賈慶軒,張延恒,于 濤
(北京郵電大學 自動化學院,北京 100876)
球形機器人是一種結(jié)構(gòu)全封閉,控制系統(tǒng)、電機和電源模塊都包含在作為運動機構(gòu)的球形外殼內(nèi)部的移動機器人[1]。它以結(jié)構(gòu)簡單、不存在傾倒問題、零轉(zhuǎn)彎半徑、運行效率高等優(yōu)點受到國內(nèi)外學者的關(guān)注[2-3]。
目前已有的球形機器人都是依靠重心的改變進行驅(qū)動。爬坡能力取決于重擺所占比重,重擺比重越大爬坡能力越強[4],但是重擺所占比重過大會導致球形機器人運載能力下降。目前已有的球形機器人重擺所占比重均不超過25%,爬坡能力均在15°以下。
針對此問題,本文設(shè)計了一種具有新型連桿爬坡機構(gòu)的球形機器人(BYQ-X),該球形機器人除了傳統(tǒng)的重擺行走方式之外,還可以利用新型運動機構(gòu)通過電機直接驅(qū)動球殼運動。新機構(gòu)具有較強的爬坡越障能力,球形機器人在平面地形利用重擺行走,此時球形機器人沒有被動摩擦輪,摩擦力完全提供動力,運行時能量利用效率高,機器人可以全向運動[5-6];當球形機器人需要爬較大坡度的時候,球形機器人利用連桿機構(gòu)進行爬坡。此時,球形機器人伸出兩根連桿,連桿與電機定子固連,球體與電機轉(zhuǎn)子固連,球形機器人運動不依賴重擺重力,通過電機直接驅(qū)動球殼運動,此狀態(tài)下的球形機器人具有較強的爬坡能力。
BYQ-X的總體結(jié)構(gòu)分為運動驅(qū)動部分、伸縮連桿部分2個子系統(tǒng)。其沿用了球形外殼作為運動機構(gòu)。BYQ-X具有兩種運動狀態(tài):①球殼封閉,如圖1所示,所有機械和控制系統(tǒng)包含在球殼內(nèi)部,通過重擺的轉(zhuǎn)動改變重心,驅(qū)動球體全向運動;②兩側(cè)的連桿伸出,如圖2所示,連桿末端兩個輪子支撐在地面上,電動機直接驅(qū)動球體移動。
如圖1所示,當球殼處于封閉狀態(tài)時,球殼兩側(cè)的軸承支撐可旋轉(zhuǎn)內(nèi)框,電機1固定于內(nèi)框上,與電機1轉(zhuǎn)軸相連的齒輪1與固定在球殼上的外環(huán)齒輪嚙合。電機1可驅(qū)動內(nèi)框繞X軸旋轉(zhuǎn),由于重擺安裝在內(nèi)框上,相當于電機1驅(qū)動重擺繞X軸旋轉(zhuǎn)。電機2固定于內(nèi)框上,通過鏈輪與鏈條的組合,驅(qū)動兩塊重擺繞Y軸旋轉(zhuǎn)。通過兩個電機的驅(qū)動,可以實現(xiàn)BYQ-X在水平面內(nèi)全向滾動。此狀態(tài)下BYQ-X的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)球形機器人相似,其運動學和動力學模型也具有相似性[7-8]。
圖1 球形機器人未伸出連桿狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Spherical robot’s fold status
如圖2所示,當BYQ-X處于連桿伸出狀態(tài)時,兩個連桿分別從球體的兩側(cè)伸出,連桿末端的輪子與地面接觸。當電機1驅(qū)動內(nèi)框相對于球殼轉(zhuǎn)動時,由于連桿與內(nèi)框固連,連桿也會相對于球殼沿相同方向轉(zhuǎn)動,此時地面會阻止連桿的運動趨勢,由于反作用力,球殼將會沿反方向轉(zhuǎn)動,地面對球體的摩擦提供向前的動力,球體將會向前滾動。此時的運動模式相當于電機1直接驅(qū)動球體滾動,驅(qū)動力矩的大小取決于電機輸出力矩的大小,而不受重擺大小的影響,可以大大增加球體的爬坡能力。
圖2 球形機器人伸出連桿的狀態(tài)Fig.2 Spherical robot’s unfold status
BYQ-X有兩個連桿,每個連桿由2個移動副、一個轉(zhuǎn)動副和一個輪子組成,如圖3所示。
連桿分4段,材料是鋁管。固定環(huán)1和固定環(huán)2將關(guān)節(jié)1固定在內(nèi)框內(nèi)壁上,關(guān)節(jié)2套進關(guān)節(jié)1內(nèi)部,并通過絲杠傳動配合。固定在關(guān)節(jié)1上的1號電機驅(qū)動嚙合在絲杠底端的齒輪,從而驅(qū)動關(guān)節(jié)2伸縮。關(guān)節(jié)2的頂端固連著球殼蓋,當連桿縮回球體內(nèi)部時,球殼蓋起到密封保護的作用。2號電機固定在關(guān)節(jié)2上,通過錐齒輪傳動,驅(qū)動關(guān)節(jié)3旋轉(zhuǎn)。關(guān)節(jié)2與關(guān)節(jié)3之間還安裝了制動器,可以將關(guān)節(jié)2與關(guān)節(jié)3之間的旋轉(zhuǎn)夾角鎖死在某一個角度。關(guān)節(jié)4與關(guān)節(jié)3也是通過絲杠傳動配合,通過固定在關(guān)節(jié)3上的3號電機,驅(qū)動關(guān)節(jié)4伸縮。
圖3 連桿示意圖Fig.3 Structure of climbing link
球形機器人伸出連桿的步驟如下:關(guān)節(jié)2伸出,關(guān)節(jié)3轉(zhuǎn)動90°,伸出關(guān)節(jié)4。
BYQ-X機械結(jié)構(gòu)分為運動驅(qū)動部分,連桿部分等,這幾個功能單元相對獨立。因此控制系統(tǒng)也分為2個模塊:運動驅(qū)動部分控制模塊、連桿系統(tǒng)控制模塊,如圖4所示。
圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of the control system
各個模塊的安裝位置、硬件組成和功能如下:
(1)運動驅(qū)動部分控制模塊
安裝于內(nèi)框壁上,采用32位ARM7處理器AT91SAM7XC256作為主處理器,通過RF200無線傳輸模塊接收人工控制臺的指令和反饋機器人的工作狀態(tài),通過串口采集安裝在內(nèi)框上的慣性測量系統(tǒng)的角速度、加速度和歐拉角參數(shù),并分別通過CAN總線與電機2通訊,串口RS232與電機1通訊,實現(xiàn)電機1和電機2的協(xié)調(diào)運動,完成BYQ-X的直線、曲線行走和靜態(tài)平衡控制等功能。電機1采用MAXON電機RE50,驅(qū)動器EPOS 50/5;電機2采用MAXON直流無刷電機EC40,驅(qū)動器Elmo Solo Whistler。
(2)連桿系統(tǒng)控制模塊
安裝在內(nèi)框外壁上,控制連桿電機和制動器,依次完成連桿伸縮定位和制動器的制動解鎖等操作,同時可以采集連桿上限位開關(guān)和霍爾元器件的數(shù)據(jù),進行協(xié)調(diào)控制。主處理器為32位ARM7處理器AT91SAM7XC256,通過IO口發(fā)送指令。每個連桿裝有三個電機和一個驅(qū)動器,電機采用MAXON電機,小倉制動器,電機驅(qū)動器LMD18200T。
BYQ-X采用了分層式和模塊化的軟件系統(tǒng),其中運功驅(qū)動部分控制模塊采用了Linux操作系統(tǒng),其上運行外部無線通信、CAN通信、串口RS232通信、運動控制算法、路徑規(guī)劃、資源分配等應(yīng)用層任務(wù),應(yīng)用層各個任務(wù)統(tǒng)一由調(diào)度層進行調(diào)度,并通過各部件的傳感器數(shù)據(jù)反饋信息進行協(xié)調(diào)控制。并通過Visual C++6.0軟件繪制操作界面。
爬坡能力是衡量移動機器人工作能力的主要性能指標之一[9]。球形機器人應(yīng)用在野外環(huán)境時不可避免地會遇到爬坡和越障等問題。本節(jié)將詳細分析手臂伸出時的新型機器人與傳統(tǒng)球形機器人的爬坡能力。
傳統(tǒng)球形機器人的驅(qū)動力矩來源于機器人重心偏離形心而產(chǎn)生的偏心力矩[10-11]。重擺通常所占比重不超過球形機器人自身質(zhì)量的25%,據(jù)此計算其最大爬坡能力可以得到為0.2527rad,即14.49°。
圖5 傳統(tǒng)球形機器人爬坡ADAMS仿真模型Fig.5 Simulation of traditional spherical robot climbing slope by ADAMS
用ADAMS軟件對此計算結(jié)果進行驗證,如圖5,在ADAMS中設(shè)置一個轉(zhuǎn)動的平面,用PRO-E設(shè)計出球形機器人模型,導入ADAMS。設(shè)定參數(shù)R=0.5m,μ=25%,讓機器人在此平面上前進,當球體加速度為0時,認為達到最大爬坡角度。最終得到不管摩擦因數(shù)如何改變,其爬坡能力都小于等于0.2527rad(14.49°)。
當兩個手臂展開后,重擺的位置將不再改變,此時球形機器人爬坡時的力學簡化模型如圖6所示。整體分為球體、連桿、后輪三個部分,可以將兩個連桿和后輪合為一個連桿和后輪進行分析。其中α為坡面坡度,θ為連桿與地面(坡面)的角度,Gq是球體的重力,Gh為小輪的重力,Gg為連桿重力。Fm為球體受到的地面摩擦力,f為兩個小輪受到的摩擦力。Nq、Nh分別為球體和后輪受到的坡面支持力。這兩個力是由多個力合成的。
圖6 機器人利用爬坡機構(gòu)爬坡的受力分析圖Fig.6 Force analysis of robot climbing slope by climbing link mechanism
首先對連桿進行受力分析,如圖7所示,其中Gg為連桿重力,N為小輪提供的垂直支持力,相應(yīng)地,連桿的另一端與球體連接的軸上,會受到大小相同、方向相反的一個力,兩個力形成的力偶與電機輸出的力矩T相平衡。相應(yīng)地Fq與Fh分別為球體和小輪對連桿的力沿連桿方向的分量。
圖7 連桿的受力分析圖Fig.7 Force analysis of climbing link
Fh為連桿與小輪沿連桿方向的相互作用力。此時小輪向下的壓力等于小輪自身重力加上連桿對小輪垂直方向的分力之和。
將連桿兩端受到的力分解為沿桿方向的力和垂直于桿方向的力,在受力平衡狀態(tài)下,沿連桿方向和水平方向的合力為0,對連桿的合力偶也為0,kq為前輪的靜摩擦因數(shù),設(shè)δq和δh分別為球體和小輪的滾動摩阻,R為球體半徑,r為小輪半徑。得到關(guān)于坡面最大牽引力即坡面摩擦力Fm的公式為
為求最大爬坡角度α,給出下列相關(guān)公式:
聯(lián)立式(1)~(5),即可解出最大爬坡角度α。
為了實現(xiàn)對機器人的有效控制,本文基于拉格朗日方程建立連桿伸出后的動力學模型[12]。
機器人開始爬坡的出發(fā)點為O,建立坐標系,如圖8所示。
圖8 新機構(gòu)爬坡動力學模型Fig.8 Dynamic model of Robot climbing slope by climbing link mechanism
機器人沿坡面做直線運動,取x為廣義坐標,球體半徑為R,后輪半徑為r,桿長為l,機器人的出發(fā)點O為勢能零點,球體滾過的角度為θq,后輪滾過的角度為θh。θq,θh與x有以下關(guān)系:
系統(tǒng)在任意位置的勢能為
式中:Jq和Jh分別為球體與后輪的轉(zhuǎn)動慣量,表達式為
系統(tǒng)的拉格朗日函數(shù)為
假設(shè)該坡度小于機器人最大爬坡角度,即機器人可以沿坡面向上運動,球體與后輪作純滾動,則作用在機器人上的主動力為機器人重力與電機驅(qū)動力矩。
根據(jù)虛功原理得到系統(tǒng)廣義力為
將式(7)~(9)代入拉格朗日方程,可得連桿伸出狀態(tài)下的動力學方程為
由式(11)可見,機器人在小于其最大爬坡角度的坡面上將做加速運動。當機器人剛啟動時輸出力矩達不到額定值,機器人加速度會較小,而隨著電機力矩T逐漸增大,其加速度將越來越大,最終當T達到額定值時,機器人以恒定的加速度沿坡面向上運動。
首先用Matlab對新機構(gòu)爬坡能力公式進行仿真,設(shè)定參數(shù)Gq=100N,Gh=5N,δq=0.01,δh=0.01,θ=30°,R=0.5m,r=0.1m。
得出機器人最大爬坡角度α與前輪靜摩擦因數(shù)kq的關(guān)系曲線如圖9所示。
圖9 爬坡角度與摩擦因數(shù)關(guān)系曲線Fig.9 Relationship between climbing angle and friction coefficient
用Adams軟件對由Matlab計算所得到的曲線進行驗證,如圖10。在ADAMS中設(shè)置一個坡度逐漸增大的轉(zhuǎn)動平面,用pro-E設(shè)計新型機器人模型,將其導入ADAMS。設(shè)定參數(shù),讓機器人在此平面上前進,當球體加速度為0時認為達到最大爬坡角度。
圖10 新機構(gòu)爬坡ADAMS仿真模型Fig.10 Simulation of new spherical robot climbing slope by ADAMS
改變球體與坡面間的摩擦因數(shù),由此得到一系列表示摩擦因數(shù)k與對應(yīng)最大爬坡角度α的點(爬坡能力(rad),摩擦因數(shù))為:(0.14,0.2),(0.2,0.3),(0.25,0.4),(0.3,0.5),(0.34,0.6),(0.38,0.7),(0.41,0.8)。將這些得到的點進行曲線擬合,得到如圖11所示的曲線。將擬合得到的曲線與圖9中Matlab計算得到的曲線相比較,可見兩條曲線幾乎完全重合。因此驗證了力學模型的正確性。與傳統(tǒng)球形機器人的爬坡能力比較結(jié)果如圖12所示。圖12中,橫線為傳統(tǒng)球形機器人的重擺比重為25%時可以達到的最大爬坡角度。曲線為新型機器人爬坡弧度隨摩擦因數(shù)的變化曲線。由此圖可見,當摩擦因數(shù)達到0.41之后,新機構(gòu)可以顯著提升球形機器人的爬坡能力。
圖11 爬坡角度與摩擦因數(shù)關(guān)系擬合曲線Fig.11 Curve of relationship between climbing angle and friction coefficient made by Matlab curve-fitting
圖12 新舊球形機器人爬坡角度比較圖Fig.12 Compare of the climbing angle between new and traditional spherical robot
根據(jù)實際測量,球形機器人外殼與混凝土路面、壓實土壤路面的滑動摩擦因數(shù)分別為0.73和0.92,均遠大于0.41,因此在野外路況下新機構(gòu)可以有效提高球形機器人的爬坡能力[13]。
由得到的曲線可以看出,新型機構(gòu)球形機器人的爬坡能力與球體、坡面之間的摩擦因數(shù)有關(guān)。摩擦因數(shù)越大,爬坡能力越強。從最大爬坡角度公式可以看出,影響最大爬坡角度的參數(shù)除了前輪摩擦因數(shù)之外還有很多。當球體材料與路面情況確定的時候,前輪摩擦因數(shù)、球體與小輪的滾動摩阻都是確定的。球體大小R有限制。要增強新型機構(gòu)的越野能力,使其達到最大爬坡角度,需要對小輪半徑r、球體重量和連桿長度l進行優(yōu)化設(shè)計。
首先分別對3個參數(shù)對爬坡角度的影響進行仿真分析。
設(shè)定摩擦因數(shù)為0.5,球體重力設(shè)定為100 N,球體半徑R為0.5m,連桿長度l設(shè)定為2m,分別用Matlab與ADAMS兩種仿真軟件得到r與爬坡角度之間的關(guān)系如圖13所示。
圖13 爬坡角度與小輪半徑關(guān)系曲線Fig.13 Relationship between climbing angle and radius of the wheels
由圖13可見,兩種軟件得到的曲線基本一致,從而驗證了所得曲線的正確性。小輪半徑r從0.1m到0.5m之間變化,爬坡角度在0.334 rad到0.348rad之間變化。影響不大,因此對小輪半徑進行優(yōu)化意義不大。
固定小輪半徑r為0.1m,分別用Matlab和ADAMS兩種仿真軟件得到桿長l與爬坡角度的關(guān)系如圖14所示。
圖14 爬坡角度與連桿長度關(guān)系曲線Fig.14 Relationship between the climbing angle and the length of the climbing link
由圖14可見,兩種軟件得到的曲線基本一致,從而驗證了所得曲線的正確性。桿長從1m到10m之間變化,爬坡角度變化趨勢是先增加后減小,由于桿本身具有一定重量,因此如果太長,球體爬坡能力反而下降。
固定桿長為2m,球體重力與爬坡角度的關(guān)系如圖15所示。
圖15 爬坡角度與球體重力關(guān)系曲線Fig.15 Relationship between the climbing angle and the weight of the spherical
由圖15可見,兩種軟件得到的曲線基本一致,從而驗證了所得曲線的正確性。球體重力從0到1000N變化,爬坡角度變化趨勢是一直增大的,但是超過300N之后,增大趨勢越來越緩慢。
由得到的曲線可以看出,重力越大球形機器人爬坡能力越強,桿長與爬坡能力的關(guān)系是類似拋物線的關(guān)系,綜合二者對爬坡能力的影響,得到如圖16所示的等高線圖。
圖16 桿長與球體重力對爬坡能力的影響Fig.16 Influence to the climbing angle by the length of the climbing link and the weight of spherical
等高線上的數(shù)字是爬坡弧度。由圖16可見,對應(yīng)于球體每一個重力值,都有一個使其爬坡角度達到最大值的最佳桿長。最佳桿長與球體重力的關(guān)系由Matlab計算得出,曲線如圖17所示??梢姡蝮w重力超過100N之后,桿長越長越好。因此在設(shè)計中,桿應(yīng)當盡量長。
BYQ-X的實驗包括系統(tǒng)測試和性能測試兩部分。性能測試主要測試機器人的通訊、運動、功耗等單項性能;系統(tǒng)測試時在保證機器人各單元及系統(tǒng)可靠運行的前提下,對機器人的協(xié)調(diào)運動進行整體實驗。
圖17 不同球體重力對應(yīng)的最佳連桿長度Fig.17 The best length of the climbing link for each weight of spherical
系統(tǒng)測試時,人工控制臺采用筆記本電腦,其上安裝VC++開發(fā)的控制界面,通過RF200無線數(shù)傳模塊與機器人建立通信網(wǎng)絡(luò),將前進、后退、轉(zhuǎn)向、手臂展開等遙控指令發(fā)送給BYQ-X,控制機器人的運動。
在本測試中,機器人由全封閉狀態(tài)開始,兩端連桿關(guān)節(jié)2完全伸出,關(guān)節(jié)3展開90°,關(guān)節(jié)2再次收回到球體內(nèi),關(guān)節(jié)4伸出,直至輪子與地面接觸,完成變形動作。整個流程如圖18所示。
圖18 BYQ-X變形全過程Fig.18 The process of BYQ-X transform
經(jīng)測量,BYQ-X的主要性能指標為:質(zhì)量為70kg,直徑為630mm,最大通訊速率為11Mbit/s,最大運行速度為0.5m/s。
如圖19所示,以木板搭建坡面,上面鋪上橡膠從增大摩擦因數(shù),以模擬野外摩擦因數(shù)較大的壓實土壤路面、混凝土路面等情況[14],測得搭建實驗坡面與球殼的摩擦因數(shù)為0.91,根據(jù)前文所得公式計算出BYQ-X封閉狀態(tài)爬坡角度應(yīng)該為14°,連桿伸出后最大的爬坡角度為25°。
分別對機器人手臂未伸出和伸出后進行爬坡運動實驗,如圖19所示,設(shè)定坡的角度為0°~30°,采用開環(huán)控制方式,電動機經(jīng)過齒輪減速后的輸出力矩為T=21.2Nm。電機采用MAXON公司生產(chǎn)的有刷直流電機,驅(qū)動器采用ELMO驅(qū)動器,可以實時讀取電機轉(zhuǎn)速與輸出力矩。本文對本項目球形機器人兩種狀態(tài)下沿斜坡的直線運動分別進行了4組試驗。每次試驗記錄下在不同坡度上運動5s的情況。
由表1記錄的實驗數(shù)據(jù)可以看出,連桿伸出狀態(tài)下BYQ-X機器人并不是勻速運動。第1s運動距離較短,之后比較穩(wěn)定,這是因為剛開始時電機還沒有達到給定輸出。
圖19 BYQ-X爬坡實驗Fig.19 The climbing experiment
表1 BYQ-X機器人連桿伸出狀態(tài)爬坡距離/mTable 1 Experiment data of BYQ-X in unfold status
機器人在爬24°以下坡面時為加速運動,在24°以上坡面為勻速運動。當坡度為25°的時候,BYQ-X機器人還是可以向上運動,但是運動是減速的,這說明機器人在此之后受力方向是沿坡面向下的,但是還是在向上運動,這是由于機器人初始狀態(tài)受到靜摩擦力的一刻獲得了一定的動能,之后只是靠初始速度進行“沖坡”,因此速度越來越慢。而到了更大角度26°的時候機器人只能在坡面上靜止,之后就開始向下滑。由此可見連桿伸出狀態(tài)的機器人的爬坡能力為24°。
由表2記錄的實驗數(shù)據(jù)可以看出,封閉狀態(tài)下BYQ-X機器人第1s運動距離更短,之后趨于穩(wěn)定,這是因為剛開始時電機還沒有達到給定輸出,重擺擺起也較慢,系統(tǒng)反應(yīng)時間更長。
機器人在爬13°以下坡面時為加速運動,在13°以坡面上為勻速運動。當坡度為14°的時候,BYQ-X機器人還是可以向上運動的,但是速度開始越來越慢。而到了15°的時候機器人能在坡面上靜止,之后開始向下滑。由此可見封閉狀態(tài)的機器人的爬坡能力為13°。
測得的試驗結(jié)果得到,連桿伸出狀態(tài)機器人爬的最大坡度為24°,封閉狀態(tài)下機器人的最大的爬坡角度為13°。
表2 BYQ-X機器人球體封閉狀態(tài)爬坡距離/mTable 2 Experiment data of BYQ-X in fold status
通過實驗可以得到以下結(jié)論:
(1)系統(tǒng)測試成功,機器人可以完成變形動作。
(2)連桿爬坡機構(gòu)可以有效提高球形機器人的爬坡能力。
(3)性能測試中得到的爬坡角度都十分接近于理論計算值。進一步驗證了力學模型的正確性。但數(shù)值都低了大約1°。其中連桿伸出狀態(tài)誤差率4%,封閉狀態(tài)誤差率6%。究其原因,主要是由于機構(gòu)內(nèi)部摩擦阻力造成的影響。其次由于封閉狀態(tài)誤差較大是因為重擺形狀不規(guī)則,其提供的力矩計算值偏大。
提出了一種具有連桿爬坡機構(gòu)的新型球形機器人,建立了機器人爬坡的力學模型,并對此模型進行了仿真驗證與分析優(yōu)化,以此為依據(jù)設(shè)計制造出了具有能夠有效提高爬坡能力的連桿機構(gòu)的球形機器人BYQ-X,并對該機器人進行了實驗。該機器人在封閉狀態(tài)下能實現(xiàn)全方位高效運動。連桿伸出狀態(tài)下能夠爬較大的坡度。使得球形機器人可以在野外復(fù)雜地形條件下應(yīng)用,大大擴展了球形機器人的應(yīng)用范圍。目前本機器人連桿伸出的時候無法實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎,但是在兩個小輪上加裝電動機就可以實現(xiàn)變形后的轉(zhuǎn)彎運動。
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