全向滚动球形机器人：运动分析与轨迹规划

"这篇文档详细介绍了参与飞思卡尔杯大学生电子设计大赛的一种创新设计——全向滚动球形机器人。文章深入探讨了机器人的内驱动机构设计，运动分析以及轨迹规划方法。通过4台直线电机在球体轮辐上的独特布局，机器人能够实现全向滚动。运动模型基于球体纯滚动的非完整约束理论，并考虑了步进直线电机的离散运动特性。文章提出了轨迹规划算法，并通过实例分析和仿真验证了模型的正确性和实用性。此外，还对比了现有的球形机器人驱动方式，指出所提出的设计具有结构简洁、能耗低、定位复位性能优越等优点。球形机器人由外球壳、内球壳、稳定平台和推进装置构成，其中推进装置采用了类似甲烷分子结构的四面体设计，利用直线步进电机作为驱动和配重。" 这篇文档主要涵盖的知识点包括： 1. **全向滚动球形机器人设计**：机器人采用独特的内驱动机构，通过4个空间对称的直线电机在轮辐上的径向移动，改变系统重心，实现全向滚动。 2. **运动分析**：基于球体纯滚动的非完整约束理论，建立了机器人的运动模型，这是一个二阶微分方程组，用于描述其运动状态。 3. **轨迹规划算法**：提出了适用于这种球形机器人的轨迹规划方法，以精确控制其运动路径。 4. **驱动装置比较**：文中对比了不同类型的球形机器人驱动方式，如单轮驱动、小车驱动等，强调了提出的驱动方式在稳定性、能耗和控制简易性方面的优势。 5. **结构设计**：球形机器人由内外球壳、稳定平台和推进装置构成，其中推进装置采用了空间正四面体结构，确保了结构的稳定性和效率。 6. **直线步进电机的应用**：电机既是驱动装置，又是配重体，这种设计简化了驱动装置，降低了能耗。 7. **仿真验证**：通过实例分析和仿真，证明了所提出的运动分析模型的正确性和轨迹规划的有效性。 8. **应用背景**：此设计适用于电子或嵌入式专业的大学生进行电子设计竞赛，如飞思卡尔杯，展示了在机器人研究领域的创新思维和技术应用。