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本书对目前球形机器人的研究现状进行了归纳、分析，对球形机器人的驱动原理、力学模型、控制策略等进行了深入的研究，设计了三种新型全方位运动球形机器人，即电磁驱动球形机器人、流体驱动球形机器人和离合式半球差动球形机器人，对其滚动条件、越障能力、爬坡能力、滑动条件、转弯特性等进行了简要的静力学分析研究；建立了球形机器人的运动学方程，推导出其无滑动的滚动运动的约束方程；分别在球形机器人运动学方程和动力学方程的基础上，合理选择了系统的滑模切面函数、建立了运动学和动力学的“滑模控制”策略，并在MATLAB-Simulink 的环境下，对所建立的控制策略进行了仿真实验研究；搭建了球形机器人的内部控制系统平台，对球形机器人轨迹跟踪的控制策略进行了理论分析和实验研究；同时，基于ADAMS虚拟样机技术，对球形机器人的性能进行了仿真实验研究，以进一步验证本书结构设计及控制策略的正确性。

第1章  绪论	1
1.1　研究背景	1
1.2　球形机器人特点及应用	2
1.3　国内外球形机器人研究现状	3
1.3.1  外驱球形机器人	4
1.3.2  内驱球形机器人	6
1.4　球形机器人研究的核心问题	15
1.5　研究内容和技术路线	16
1.5.1  本书研究内容和技术路线	16
1.5.2  研究内容安排	17
第2章  球形机器人电磁驱动原理及性能研究	19
2.1　内驱球形机器人的原理及分类	19
2.2　球形机器人的设计原则	20
2.3　电磁驱动球形机器人驱动原理及结构设计	21
2.3.1  单电磁线圈驱动球形机器人方案设计	21
2.3.2  双电磁线圈驱动球形机器人方案设计	23
2.4　电磁驱动球形机器人运动性能分析	25
2.4.1  球形机器人各部件质量	25
2.4.2  球形机器人滚动条件	26
2.4.3  球形机器人的加速度	29
2.4.4  球形机器人越障能力分析	30
2.4.5  球形机器人爬坡能力分析	32
2.5　球形机器人滑动现象分析	34
2.5.1  球形机器人在平面运动的滑动条件	34
2.5.2  球形机器人在斜坡面上运动的滑动条件	35
2.6　球形机器人转弯性能分析	38
2.7　本章小结	40
第3章  球形机器人流体驱动原理及性能研究	42
3.1　流体驱动球形机器人驱动原理及结构设计	42
3.1.1  流体驱动球形机器人整体方案设计	42
3.1.2  流体驱动球形机器人转弯机构	43
3.1.3  轴流装置	44
3.2　流体环参数计算	46
3.2.1  流体环质量	46
3.2.2  流体环转动惯量	47
3.2.3  等效摆长度	48
3.3　流体驱动球形机器人运动性能分析	49
3.3.1  流体驱动球形机器人各部件参数	49
3.3.2  流体驱动球形机器人的滚动条件	50
3.3.3  流体驱动球形机器人的加速度	51
3.3.4  流体驱动球形机器人越障能力分析	52
3.3.5  流体驱动球形机器人爬坡能力分析	53
3.4　流体驱动球形机器人其他参数分析、计算	54
3.5　本章小结	56
第4章  离合式半球差动球形机器人的设计与分析	58
4.1　离合式半球差动电磁驱动球形机器人方案设计	58
4.1.1  离合式半球差动电磁驱动球形机器人整体方案设计	58
4.1.2  电磁驱动部件设计	60
4.1.3  离合部件设计	62
4.1.4  离合原理及实现	63
4.1.5  离合式半球差动电磁驱动球形机器人特点	67
4.2　离合式半球差动流体驱动球形机器人方案简介	67
4.3　离合式半球差动球形机器人运动性能分析	69
4.3.1  离合式半球差动球形机器人各部件参数	69
4.3.2  离合式半球差动球形机器人的滚动条件	70
4.3.3  离合式半球差动球形机器人的加速度	72
4.3.4  离合式半球差动球形机器人越障及爬坡能力	74
4.4　离合式半球差动球形机器人的滑动现象研究	74
4.5　离合式半球差动球形机器人的转弯半径分析	77
4.6　本章小结	79
第5章  球形机器人运动学、动力学分析	81
5.1　球形机器人运动学、动力学分析现状	81
5.2　运动学、动力学相关理论	83
5.2.1  非完整约束系统	83
5.2.2  动力学普遍方程	84
5.2.3  欧拉角与坐标变换	85
5.3　球形机器人运动学方程的建立	86
5.4　球形机器人动力学方程的广义欧拉角描述	89
5.4.1  球形机器人位姿参数的广义欧拉角描述	89
5.4.2  球形机器人动力学方程的广义欧拉角描述	90
5.5　球形机器人直行与转弯的分离研究	91
5.5.1  球形机器人直线行走动力学方程	92
5.5.2  球形机器人爬坡运动的动力学方程	94
5.5.3  球形机器人转弯运动的动力学方程	95
5.5.4  球形机器人转弯半径的探讨	96
5.6　本章小结	100
第6章  球形机器人控制策略的研究	101
6.1　球形机器人控制策略研究现状	101
6.2　滑模变结构控制原理	102
6.2.1  滑模变结构控制定义	102
6.2.2  滑模变结构控制器设计步骤	104
6.2.3  滑模变结构控制器的抖振现象分析	105
6.3　基于球形机器人运动学模型的反演控制策略	106
6.3.1  趋近律方法	107
6.3.2  反演设计方法	108
6.3.3  球形机器人轨迹跟踪的位姿误差	109
6.3.4  球形机器人运动控制策略切换函数的设计	111
6.3.5  球形机器人运动控制策略滑模控制器的设计	112
6.3.6  基于球形机器人的运动学模型的“滑模控制”策略仿真	113
6.4　基于球形机器人动力学模型的“滑模控制”策略仿真	116
6.4.1  球形机器人动力学模型的近似线性化	116
6.4.2  球形机器人动力学模型纵向滑模控制器的设计	117
6.4.3  球形机器人动力学模型横向滑模控制器的设计	118
6.4.4  符号函数的连续化	120
6.4.5  球形机器人动力学“滑模控制”仿真	121
6.5　本章小结	122
第7章  球形机器人控制系统设计及轨迹跟踪研究	123
7.1　球形机器人控制系统及轨迹跟踪研究现状	123
7.1.1  球形机器人控制系统的研究现状	123
7.1.2  球形机器人避障及路径规划研究现状	124
7.2　球形机器人控制系统组成	125
7.3　球形机器人主控模块的结构原理	127
7.4　球形机器人直行控制模块的设计	129
7.4.1  步进电机的选择	129
7.4.2  步进电机驱动原理	130
7.5　球形机器人转向控制模块的设计	133
7.5.1  球形机器人转向电机及驱动控制	133
7.5.2  球形机器人飞轮转速的测量原理	136
7.5.3  飞轮转速的测算方法与误差分析	137
7.6　球形机器人转向角度测量控制模块的设计	139
7.7　球形机器人光电寻迹模块的设计	140
7.7.1  飞轮光电寻迹模块的总体结构	140
7.7.2  接收信号处理	141
7.7.3  光电检测单元的结构布局	143
7.8　规划路径的样条插值	144
7.8.1  三次样条插值法基础理论	144
7.8.2  三次样条插值函数在球形机器人路径规划中的简化	148
7.8.3  球形机器人路径规划的实验研究	150
7.9　本章小结	154
第8章  球形机器人的实验研究	156
8.1　TSR-I型球形机器人的样机制作	156
8.2　TSR-I型球形机器人的实验研究	158
8.2.1  球形机器人直线运动实验	159
8.2.2  球形机器人爬坡能力实验	160
8.2.3  球形机器人光电寻迹实验	162
8.3　基于ADAMS的TSR-I型球形机器人的仿真研究	164
8.3.1  TSR-I型球形机器人虚拟样机模型	164
8.3.2  TSR-I型球形机器人越障能力仿真	165
8.3.3  TSR-I型球形机器人爬坡能力仿真	167
8.4　基于ADAMS的TSR-III型球形机器人运动平稳性仿真	170
8.5　本章小结	175
第9章  总结与展望	176
9.1　本书主要研究内容及结论	176
9.2　主要创新点	178
9.3　研究展望	179
附录A  球形机器人相关专利	181
参考文献	187
后记	198

近年来，球形机器人成为机器人领域的研究热点之一。球形机器人具有球形外壳，所有机械结构、控制器件和能源供给部件均密封在球壳之内。球形机器人具有摩擦小、耗能低、结构紧凑、空间利用率高、密封性好、防尘、防震、不易跌倒、可以实现全向滚动等优点。与传统的移动机器人，如轮式、脚式和履带式机器人等相比，球形机器人具有良好的发展潜力，在军事、交通、监控、搜救、娱乐等领域具有广泛的应用前景。
本书研究以山东省自然科学基金项目“射流驱动球形机器人的研究（2009ZRA01105）”、泰安市科技发展计划项目“球形机器人射流驱动原理及产品开发研究（20083002）”、泰安市科技发展计划项目“环境探测球形机器人科研平台的构建（201320629）”、泰安市科技发展计划项目“电磁驱动球形机器人动力性能研究（2020ZC313）”、泰山学院引进人才科研启动基金项目“球形机器人驱动原理及仿真研究（Y-01-2013010）”为依托，在充分借鉴国内外球形机器人研究经验的基础上，提出了几种新型的球形机器人驱动方案。与目前国内外出现的所有驱动原理相比，其结构十分简洁、可靠性高、运动灵活性好、运动控制易于实现、响应速度快、适用范围广，且能实现真正意义的全向性驱动，对球形机器人的驱动原理可产生较大的推动作用。同时，在球形机器人的控制策略方面，基于自适应的“滑模控制”方法，建立可行的控制算法，在保证球形机器人优点的同时，减少球形机器人的“抖动”，这些工作包括控制算法的实现、虚拟样机的研究、模拟仿真实验、无线通信的实现等。
泰山学院球形机器人科研创新团队从研制球形机器人结构和控制原理着手，研制了“电磁驱动”和“流体驱动”全方位运动球形机器人，克服了现有球形机器人驱动机构的不足；对球形机器人驱动方式、运动性能、机构合理性、控制策略等进行了深入的理论研究和实验研究，形成了一个新的研究方向，构建了较为完善的球形机器人科研创新平台；研究成果被泰安市机器人协会、山东万里行电子商务有限公司等单位采纳并进行了广泛推广，取得了较好的经济效益和社会效益。期望本书的研究成果能起到抛砖引玉的作用，对广大有志于该领域研究的同仁有所借鉴和启发。同时，也期望得到专家、学者的指导和建议，并敬请对本书的不足和疏漏之处批评指正。

著者   
2022年3月

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球形机器人驱动原理及控制策略