全向轮足球机器人结构设计与运动特性的分析
球形轮足复合式机器人设计与步态控制
球形轮足复合式机器人设计与步态控制球形轮足复合式机器人设计与步态控制摘要：球形轮足复合式机器人是一种新型的移动机器人，其结合了球形轮和足式驱动系统的优点，在多种环境下具有较好的机动性能和稳定性。
本文将介绍球形轮足复合式机器人的设计原理和步态控制方法，以及其应用前景。
1. 引言球形轮足复合式机器人是近年来兴起的一种新型机器人，它采用了球形轮和足式驱动系统，结合了二者的优点。
球形轮可以实现全向移动，而足式驱动系统则具有较好的机动性和稳定性。
因此，球形轮足复合式机器人在工业生产、救援任务和空间探索等领域具有广泛的应用前景。
2. 设计原理球形轮足复合式机器人的设计原理是将球形轮和足式驱动系统结合起来，实现多种移动方式。
球形轮由若干个轮子组成，这些轮子可以分别转动，使得机器人可以在任意方向上前进、后退、左移、右移和旋转。
足式驱动系统则用于机器人的四肢，通过调节步态和行走方式实现机器人的更加灵活的移动。
3. 步态控制方法为了实现球形轮足复合式机器人的步态控制，需要设计合适的算法和控制策略。
一种常用的方法是基于动力学模型的步态规划和控制方法。
这种方法可以通过对机器人的运动学和动力学特性建模，利用最优控制理论来规划和控制机器人的步态，使得机器人能够在不同环境中实现稳定的移动。
4. 应用前景球形轮足复合式机器人具有广泛的应用前景。
在工业生产领域，它可以被应用于物料搬运、装配和焊接等任务，提高生产效率和安全性。
在救援任务中，球形轮足复合式机器人可以在复杂的地形和环境下进行探测和搜救，减少人员的风险。
在空间探索领域，机器人可以用于行星表面的勘测和探索，为人类的空间探索工作提供支持。
5. 结论球形轮足复合式机器人是一种拥有较好机动性和稳定性的移动机器人，它结合了球形轮和足式驱动系统的优点。
通过恰当的设计原理和步态控制方法，球形轮足复合式机器人可以在多种环境中实现稳定的移动和操作。
它的广泛应用前景使得它成为移动机器人领域的研究热点，有望在工业、救援和空间探索等领域发挥重要作用。
全向轮
(7) 其中下标 1～4 分别代表四个轮子 ,如图 4.
3 自由方向轮系( Free2directional wheels)
3. 1 Swedish 轮
Swedish 轮也称 Mecanum 轮 ,由轮辐和固定在
外周的许多小滚子构成 ,轮子和滚子之间的夹角为 γ,通常夹角 γ为 45°,如图 3 所示[2 ] .
第 25 卷第 5 期 2003 年 9 月 文章编号 : 100220446 (2003) 0520394205
机器人 ROBOT
Vol. 25 ,No. 5 Sept . ,2003
全方位移动机器人结构和运动分析 Ξ
赵冬斌 , 易建强 , 邓旭
(中国科学院自动化研究所 复杂系统与智能科学实验室 , 北京 100080)
连续切换轮的基础为 Transwheel 轮 ,由一个轮 盘和固定在轮盘外周的滚子构成. 轮盘轴心同滚子
3 95
由世界坐标系转换为机器人坐标系的矩阵为
cosθ sinθ 0
R (θ) = - sinθ cosθ 0
(1)
0
01
文献[ 1 ]将轮子划分为传统轮系 ,包括固定方向
轮 (fixed wheel ) 、同 心 方 向 轮 ( centered orientable
wheel) 和偏心方向轮 (off2centered orientable wheel) ,
当采用三个轮子 、γ为 0°时 ,见图 3. 轮子转动速
成全方位移动机器人.
度和车体速度之间的转换关系为
φ1
- sinα
co sα
l
x
φ2
= Jξ = -
1 r
- sin (α + 2/ 3π)
一种具有稳定平台可全向滚动的球形机器人设计与分析
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第 + 期’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ 李团结等： 一种具有稳定平台可全向滚动的球形机器人设计与分析
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《轮足复合球形机器人的设计及运动控制研究》
《轮足复合球形机器人的设计及运动控制研究》一、引言随着科技的不断发展，机器人技术已经逐渐渗透到各个领域，其中球形机器人因其独特的运动能力和灵活性，在复杂环境中展现出巨大的应用潜力。
轮足复合球形机器人作为一种新型的机器人形态，结合了轮式和足式机器人的优点，具有更高的机动性和环境适应性。
本文将详细介绍轮足复合球形机器人的设计及其运动控制研究。
二、轮足复合球形机器人的设计1. 总体设计轮足复合球形机器人设计以球形结构为基础，通过在球体内置入轮式和足式运动机构，实现轮足复合的运动方式。
整体设计需考虑机器人的尺寸、重量、运动范围等因素，以满足在不同环境中的运动需求。
2. 轮式运动机构设计轮式运动机构主要由驱动轮、电机、传动装置等组成。
驱动轮采用高弹性材料制成，以适应不同地形。
电机驱动轮的转动，通过传动装置将动力传递给轮子，使机器人能够顺利行驶。
3. 足式运动机构设计足式运动机构由多个可独立控制的足部组成，每个足部均配备有驱动器和关节，能够实现复杂的运动动作。
足部的设计需考虑其结构强度、灵活性和运动范围等因素。
4. 控制与通信系统设计控制与通信系统是机器人的“大脑”，负责控制机器人的运动和行为。
系统采用高性能的微处理器和传感器，实现机器人的实时控制和数据传输。
此外，还需设计稳定的通信系统，以保证机器人与外部设备的实时交互。
三、运动控制研究1. 运动学建模针对轮足复合球形机器人的特殊结构，建立其运动学模型。
通过分析机器人的运动规律，确定其速度、加速度、角度等运动参数。
此外，还需考虑机器人运动过程中的动态特性，以保证其运动的稳定性和精度。
2. 控制策略研究针对不同环境和任务需求，研究合适的控制策略。
如针对复杂地形，可采用基于地形识别的控制策略；针对高精度任务，可采用基于模型的预测控制策略等。
此外，还需考虑机器人的能源管理，以提高其能源利用效率。
3. 实验验证通过实验验证所设计的轮足复合球形机器人的性能和运动控制策略的有效性。
机器人足球实验报告
机器人足球实验报告摘要：随着科学技术的不断发展，机器人技术日益成熟，机器人足球作为一种新型的竞技项目在世界范围内得到了广泛的关注和发展。
本实验以机器人足球为研究对象，旨在探究机器人在足球比赛中的性能表现，并对机器人足球比赛中的一些关键问题进行分析和解决。
一、引言机器人足球是一项融合了机械、电子、计算机等多学科知识的综合性竞技项目。
与传统足球不同，机器人足球通过机器人来参与比赛，融入了自动控制、图像识别、路径规划等技术，具有很大的研究价值和实践意义。
二、实验设计与方法本实验以一支机器人足球队为基础，通过对机器人的硬件和软件进行优化，提高机器人的灵活性和对足球的感知能力。
同时，在比赛中分析机器人队伍的战术布局和策略。
首先，我们对机器人的机械结构进行了改进，增加了关节活动范围，提高了机器人的灵活性，使机器人能更好地进行射门、传球和防守等动作。
其次，我们优化了机器人的电子控制系统，增加了感知模块和数据处理单元，提高了机器人对足球和环境的感知能力。
通过图像识别和目标检测算法，机器人能够更准确地识别和跟踪足球，并做出相应的动作。
最后，在比赛中，我们运用了智能算法和策略来指导机器人的行动，如路径规划、团队协作、进攻与防守等。
通过不断的调整和优化，提高了机器人足球队的整体战术水平。
三、实验结果与讨论在实验中，我们对机器人足球队的性能进行了评估。
通过与其他队伍的比赛，我们发现我们的机器人足球队在射门、传球和防守方面表现出色。
机器人的投射精度和射门速度较高，传球的准确性和防守的及时性也得到了很好的提升。
然而，我们也遇到了一些问题。
在比赛中，机器人的感知和决策能力仍然有所不足，有时会出现误判的情况，导致比分失利。
此外，机器人队伍的协作能力也需要进一步提高，以便更好地配合战术运作。
四、结论与展望通过本次实验，我们对机器人足球的发展和应用有了更深入的理解。
机器人足球作为一种新型的竞技项目，具有巨大的潜力和发展空间。
在未来，我们希望能够进一步完善机器人足球队的感知和决策能力，并加强机器人队伍之间的协作，提高机器人足球比赛的整体水平。
机器人足球系统设计与优化研究
机器人足球系统设计与优化研究随着科技的不断发展，机器人在现代社会生活的方方面面都扮演着越来越重要的角色，其中机器人足球系统也越来越受到人们的关注和重视。
机器人足球系统是一种集机械、电子和计算机技术于一体的复杂智能系统，其主要应用在机器人足球比赛中。
机器人足球比赛是一项高科技的全球性竞技运动，同时也是人工智能领域的重要研究方向。
本文旨在探讨机器人足球系统设计与优化的问题，阐述机器人足球系统的结构、设计要素、控制算法和优化策略等方面的研究进展，以及相关工程实践的经验和未来发展趋势。
一、机器人足球系统的结构与组成机器人足球系统的主要组成部分包括底盘、传感器、执行器、控制器和计算机等五个模块。
底盘是机器人足球系统的支撑结构，通常采用轮式、麦轮式或足式结构，以实现机器人的移动和转向。
传感器主要用于感知周围环境和获取比赛信息，包括视觉摄像头、激光雷达、红外传感器等。
执行器是机器人足球系统的关键部件，用于执行机器人的动作和动作控制，包括电机、舵机、气动元件等。
控制器是机器人足球系统的核心模块，负责接收传感器的信号、计算控制指令、控制机器人的运动和动作，包括单片机、嵌入式系统和通讯模块等。
计算机是机器人足球系统的后台运算中心，用于实时处理视频图像、识别目标、制定策略、预测趋势等，通常是一台高性能的工作站或服务器。
二、机器人足球系统的设计要素机器人足球系统的设计要素包括电气设计、机械设计、控制算法和软件编程等方面。
在电气设计方面，需要考虑功率、电压、电流和功率稳定性等因素，以确保机器人足球系统的稳定运行。
在机械设计方面，需要考虑机器人足球系统的重量、尺寸、速度、灵敏度和可靠性等因素，以确保机器人足球系统的机械性能和运动特性。
在控制算法方面，需要考虑机器人足球系统的运动控制、位置控制和力控制等因素，以确保机器人足球系统在比赛中能够做出正确的决策和动作。
在软件编程方面，需要考虑机器人足球系统的程序设计、图像处理、算法实现和监测调试等因素，以确保机器人足球系统的智能化和自动化程度。
全向移动机器人轮式移动机构设计设计
1 绪论1.1 引言移动机器人已经成为机器人研究领域的一个重要分支。
在军事、危险操作和服务业等许多场合得到应用，需要机器人以无线方式实时接受控制命令，以期望的速度、方向和轨迹灵活自如地移动[1]。
移动机器人按照移动方式可分为轮式、履带式、腿足式等，其中轮式机器人由于具有机构简单、活动灵活等特点尤为受到青睐。
按照移动特性又可将移动机器人分为非全方位和全方位两种。
而轮式移动机构的类型也很多，对于一般的轮式移动机构，都不能进行任意的定位和定向，而全方位移动机构则可以利用车轮所具有的定位和定向功能，实现可在二维平面上从当前位置向任意方向运动而不需要车体改变姿态，在某些场合有明显的优越性；如在较狭窄或拥挤的场所工作时，全方位移动机构因其回转半径为零而可以灵活自由地穿行。
另外，在许多需要精确定位和高精度轨迹跟踪的时候，全方位移动机构可以对自己的位置进行细微的调整[2]。
由于全方位轮移动机构具有一般轮式移动机构无法取代的独特特性，对于研究移动机器人的自由行走具有重要意义，成为机器人移动机构的发展趋势。
基于以上所述，本文从普遍应用出发，设计一种带有机械手臂的全方位运动机器人平台，该平台能够沿任何方向运动，运动灵活，机械手臂使之能够执行预定的操作。
本文是机器人设计的基本环节，能够为后续关于机器人的研究提供有价值的平台参考和有用的思路。
1.2 国内外相关领域的研究现状1.2.1 国外全方位移动机器人的研究现状国外很多研究机构开展了全方位移动机器人的研制工作，在车轮设计制造，机器人上轮子的配置方案，以及机器人的运动学分析等方面，进行了广泛的研究，形成了许多具有不同特色的移动机器人产品。
这方面日本、美国和德国处于领先地位。
八十年代初期，美国在DARPA的支持下，卡内基·梅隆大学（Carnegie Mellon university,CUM）、斯坦福（Stanford）和麻省理工（Massachusetts Institute of Technology,MIT）等院校开展了自主移动车辆的研究，NASA下属的Jet Propulsion Laboratery(JPL)也开展了这方面的研究。
三轮全向机器人运动特性分析
Ｏｎ ｔ ｈ ｅ ｅ ｓ ｔ ａ ｂｌ ｉ ｓ ｈｍｅｎ ｔ ｏ ｆ ｋ ｉ ｎｅ ｍａ ｔ ｉ ｃ ｓ ｍｏｄｅ ｌ ｏ ｆ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ－ ｗｈ ｅｅ ｌ ｏ ｍｎ ｉ －ｄｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏｎ ａｌ ｍｏ ｂｉ ｌ ｅ ｒ ｏｂ ｏｔ ， ｔ ｈｅ ｂａ ｓ ｉ ｃ ｆ ｏｒ ｍｓ ａ ｎ ｄ ｃｈ ａｒ ａｃ ｔ ｅｒ ｉ ｓ — ｔ ｉ ｃｓ ｏ ｆ ｌ ｉ ｎｅ ａ ｒ ａｎ ｄ ｃｉ ｒ ｃ ｕｌ ａｒ ｍｏ ｔ ｉ ｏｎ ａｒ ｅ ａ ｎａ ｌ ｙｚ ｅ ｄ ａｎ ｄ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｅｄ， ａｎ ｄ ｄｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂｕ ｔ ｉ ｏｎ ｓｐ ａｃ ｅ ｓ ｏ ｆ ｖ ｅｌ ｏｃｉ ｔ ｙ ａｎ ｄ ａｃ ｃ ｅｌ ｅｒ ａｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｌ ａ － ｔ ｉ ｏｎ ａｌ ｌ ｉ ｎ ｅ ａｒ ｍｏ ｔ ｉ ｏｎ ｏｆ ｔ ｈｅ ｒ ｏ ｂｏ ｔ ａ ｒ ｅ ａｃ ｈｉ ｅ ｖ ｅｄ． Ｏｎ ｔ ｈ ｅ ａｎ ａｌ ｙ ｉ ｏ ｎ． ｔ ｈ ｅ ｔ ｗｏ ｆ Ｏｒ ｍｓ ｏ ｆ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｌ ａ ｔ ｉ ｏｎ ａｎ ｄ ｒ ｏｔ ａ ｔ ｉ ｏｎ ａｒ ｅ ｄｉ ｓ ｃ ｕｓ ｓ ｅ ｄ， ｆ ｕｒ ｔ ｈｅ ｒ ｍｏｒ ｅ． ｕ ｎｄ ｅｒ ｔ ｈ ｅ ｃｉ ｒ ｃ ｕｍｓ ｔ ａｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｃｉ ｒ ｃｕ ｌ ａ ｒ ｍｏ ｔ ｉ ｏｎ ｗｉ ｔ ｈ ｒ ｏｔ ａ ｔ ｉ ｏｎ ， ｔ ｈｅ ｃ ｏｎ ｃｌ ｕ ｓｉ ｏｎ ｉ ｓ ｏｂ ｔ ａｉ ｎ ｅｄ ａ ｎ ｄ ｖ ｅｒ ｉ ｆ ｉ ｅ ｄ ｂｙ ｓ ｉ ｍｕ —
为 轮 子 的角 速 度 ， 全 向 移 动 机 器 人 的三 个 轮 子 按 等 间 隔 １ ２ Ｏ 。 分
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１ ． １ 全 方 位轮
层 ，各 层与 各 层之 间 主要 通过 支 撑杆 螺栓 进 行连 接 。
２ 运动 模 型
本文 以单 排 全 方位 轮 为 例 进行 分 析 ，如 图 １ ，假 设 机 器 人 与 地 面之 间 均为 刚 体 ，轮 子 的宽 度忽 略 不 计 ；从 动 轮 、主 动轮 只发 生 纯 滚动 ；机 器 人底 盘 重心 在 电机 轴线 交 点上 ；全 方 位 轮分 布 在 同一 圆周 上 ；三 个轮 子 始 终 与地 面 垂 直并 保 持点 接触 。 三轮 运 动模 型 如 图２ 为 机 器人 运 动学 分 析图 ： 图１单排全方位轮
学 术 研 讨
南缸． 科技 ２ ０ １ ３ 年第３ 期
全 向轮足球机ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ器人 结构设 计 与运 动特性 的分析
王 利 利 李 卫 国 张 荣 徐 晓 翔
内蒙 古 工业 大 学
摘 要
Ｏ １ ０ ０ ５ １ 呼 和 浩 特
由于 全方 位足 球 机 器人 在 车体 布局 的结 构 上 需要加 装带球 、击 球和 挑球 等机 构 ，从 而使 车体 布局 对称 性 的 问题
全 方 位 移 动 机 器 人 之 所 以可 以实 现 灵 活 的 运 动 主 要 是 由于 其 全 向轮 系 的结 构所 定 ，全方 位轮 系 的基 本 结构 都 是 通过 小轮 镶 嵌 在 大轮 的 内部来 实现 运 动 的 。这样 可 以保 证机 器 人 在运 动 的过
程 中始终保持与地面有接触，进而保证了车体运动的平稳性 ，同
点内 外 交错 ，当机 器人 在 进行 旋转 运 动 的过 程 中会 产 生非 线性 影
响，使机器人实际的运动方向有所偏移。
（ ２） 非 互 补结 构 。在 大轮 的外 边 排 列着 较 多 的 小轮 子 ，这 种结 构 的轮 子整 体 的结 构 比较 小 ，同时可 以保 证着 地 点在 同一个 圆上 ，不 会 对机 器人 带 来 非线 性 的影 响 。 由于 两个 轮 子之 间有 间 隙 ，在运 动 的过 程 中受 到 各方 面 的力 的作 用 ，会发 生 相邻 两个 小 轮 之 间 间隙 的变 化 ，导 致机 器 人 的上 下振 动 会变 大 ，最终 影 响车 体 整体 的承 载能 力 。 这 两 种 结 构 相 比较 ，前 一 种 结 构 轮 根 据 其 承 载 能 力 较 大 的 特 性适 合 于 中型 组或 大 型组 足 球机 器 人 比赛 中 ，后 一种 结 构轮 则 适 合 于 控制 精度 高 和结 构 紧凑 的 场合 。
更加 的 突 出，对 车 体 的运 动 特 性 产 生 了很 大 的 影响 。本 文通 过 对 三轮 车体 运 动 模 型 的 建立 ，分析 出 了相 关参 数 对 车体 速 度
的影 响 ，通 过 实验 对 三轮 车体 运 动性 能进 行 总 结 ，得 出其 运动 的特 点 ，为设 计 理 想的 足球 机 器人 车体 提供 理 论依 据 。
时也 减小 了 与地 面 之 间的 阻 力作 用 。 目前根 据 全方 位 轮 的结 构 ，将 其分 为 两类 ” 。 （ １ ）互 补 结 构 。在 运 行 的过 程 中始 终有 一 个 小 轮 子 的边 缘
与地面接触 ，轮子的宽度较大，承载能力较强 ，运行过程比较平 稳 ，但是在空间布局结构上会带来一定的影响 ，此外 ，轮子着地
一
灵活 ，所采用的全方位车轮可 以有效地解决一般车轮 由于不能左
右侧 滑 而带 来 的非 完 全约 束 问题 ，在机 器 人运 动 的过 程 中 ，它 可 以向任 意 一个 方 向作 直 线运 动 而不 需要 提 前作 旋 转运 动 ，并 且 当 以直 线运 动到 目 标 点 的 过程 中同时 可 以作 自身 的旋 转运 动 ，从 而 达 到调 整 机器 人 的姿 态 ，实 现 最终 所需 要 的 角度 。本 文 通过 对 三轮 全 方位 移 动机 器 人车 体 系统 运动 学模 型 的 建立 ，使 机 器人 在 比赛 的过 程 中就 可 以实 现快 速 、准确 的运 动 ，在 比赛 的过 程 中有 利于 控制 ，并 且增 加进 攻 的机 会 ，使 整场 比赛竞 争 更 加的 激 烈 ， 提 高 了 比赛 的观 赏性 。因 此 ， 目前全 方位 移 动机 器 人 已逐 渐成 为 各个 球 队设 计发 展 的趋 势 。
１ ２ 车体 布局
机 器 人 的 运 动 学 分 析 图 中包 含绝 对坐 标 和 机器 人坐 标 ，而 机 器 人 的坐 标 与机 器 人 的 中 心 重合 ，Ｌ 为 机器 人 中心 到轮 子 中心
的距 离 ，ｖ 为 轮子 ｉ 提 供 沿驱 动 方 向的速 度 。
关 键词
足 球机 器人
全 方位轮
运 动 特性
随着科学技术 的发展 ，足球机器人的研究在很 多领域都取
得 了 重 大的 突破 ，为 了使 机器 人 在 比赛 的过 程 中运 动 更加 的 自如
在 车 体 布 局 中主 要 的 问 题 是 考 虑 如 何 降 低 转 动惯 量 ，根 据 机 器人 结 构 的不 同 ，所 采取 的 方法 也 会有 所不 同 ，但 是基 本 的思 想 是 相 同 的 ，就 是 通 过 多 次 测 量 使 车 体 的 重 心 位 于 机 器 人 的 中 心 ，同时 采用 对 称结 构 布置 车体 的 其它 部 件 。 机器 人 的 布 局 按 照 三 层 结 构 来执 行 ，最 上 面 一 层是 视 觉 处 理 系统 以 及车 载 笔 记本 电脑 的 存放 层 ，中间 一层 主要 是 电路 系统 以及一 些 控制 系 统 ，比如 说 射 门机 构也 位 于这 一层 ，最下 面 一层 是 轮 系驱 动层 ，为 了有 效 的降 低重 心 的位 置 ，可 以将 电池置 于 这