1.5.2 研究?jī)?nèi)容安排

本書圍繞球形機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式和控制策略展開研究，內(nèi)容安排如下。

第1章 緒論。闡述了國(guó)內(nèi)外球形機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，通過對(duì)以往研究成果的分析、對(duì)比，剖析了現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的不足。圍繞驅(qū)動(dòng)方式和控制策略兩個(gè)研究方向，提出了技術(shù)路線和具體研究?jī)?nèi)容。

第2章 球形機(jī)器人電磁驅(qū)動(dòng)原理及性能研究。在對(duì)以往的驅(qū)動(dòng)方式原理深入研究的基礎(chǔ)上，將改變質(zhì)心和角動(dòng)量守恒定律兩種驅(qū)動(dòng)工作原理結(jié)合在一起，提出一種具備結(jié)構(gòu)新穎簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的電磁驅(qū)動(dòng)全方位運(yùn)動(dòng)球形機(jī)器人方案，克服現(xiàn)有球形機(jī)器人驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的不足。并以電磁驅(qū)動(dòng)球形機(jī)器人為研究對(duì)象，對(duì)球形機(jī)器人的滾動(dòng)條件、越障能力、爬坡能力、滑動(dòng)條件、轉(zhuǎn)彎特性等進(jìn)行了基本的靜力學(xué)分析。

第3章 球形機(jī)器人流體驅(qū)動(dòng)原理及性能研究。提出了一種流體驅(qū)動(dòng)的球形機(jī)器人驅(qū)動(dòng)原理，以密封流體環(huán)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的等效擺來改變球形機(jī)器人質(zhì)心，由此實(shí)現(xiàn)球形機(jī)器人的前進(jìn)和后退。并以流體驅(qū)動(dòng)球形機(jī)器人為研究對(duì)象，對(duì)球形機(jī)器人的滾動(dòng)條件、越障能力、爬坡能力、滑動(dòng)條件、轉(zhuǎn)彎特性等進(jìn)行了基本的靜力學(xué)分析。

第4章 離合式半球差動(dòng)球形機(jī)器人的設(shè)計(jì)與分析。球形機(jī)器人的平衡性、運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性相比傳統(tǒng)的輪式機(jī)器人較差，鑒于此，提出一種既具有球形機(jī)器人特點(diǎn)，又具有輪式機(jī)器人特點(diǎn)的新型球形機(jī)器人結(jié)構(gòu)——離合式半球差動(dòng)球形機(jī)器人。離合式半球差動(dòng)球形機(jī)器人的左右半球有展開、閉合兩種狀態(tài)，當(dāng)兩半球處于展開狀態(tài)時(shí)，具有輪式機(jī)器人的特點(diǎn)，可在較好的地形環(huán)境下，平穩(wěn)、快速前進(jìn)或后退；當(dāng)左右半球處于閉合狀態(tài)時(shí)，具有球形機(jī)器人的“不怕翻倒、運(yùn)動(dòng)靈活”等特點(diǎn)。同時(shí)，當(dāng)半球差動(dòng)球形機(jī)器人的左右半球角速度大小相等、方向相反時(shí)，其轉(zhuǎn)彎半徑為零，實(shí)現(xiàn)了原地轉(zhuǎn)彎。最后對(duì)三種結(jié)構(gòu)的球形機(jī)器人進(jìn)行了靜力學(xué)分析、對(duì)比研究，并將各自的特點(diǎn)進(jìn)行了歸納總結(jié)。

第5章 球形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析。基于歐拉角描述的方法，建立了球形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，推導(dǎo)出其無滑動(dòng)的滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)的約束方程，并以三個(gè)歐拉角為廣義坐標(biāo)，采用拉格朗日方程的方法，建立了球形機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程，為球形機(jī)器人的控制策略的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，還分析了向心力、陀螺效應(yīng)等因素對(duì)球形機(jī)器人轉(zhuǎn)彎過程的影響。

第6章 球形機(jī)器人控制策略的研究。基于一類特殊的非線性控制——變結(jié)構(gòu)滑模控制（Variable Structure Control, VSC）方法，分別在球形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和動(dòng)力學(xué)方程的基礎(chǔ)上，合理選擇了系統(tǒng)的滑模切面函數(shù)，建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的滑模控制策略，并在Simulink的環(huán)境下，對(duì)所建立的控制策略進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)研究。

第7章 球形機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及軌跡跟蹤研究。以8051系列單片機(jī)芯片作為球形機(jī)器人控制系統(tǒng)的主控芯片，搭建了球形機(jī)器人的內(nèi)部控制系統(tǒng)平臺(tái)，包括主控、直行、轉(zhuǎn)向和路徑檢測(cè)四個(gè)模塊。并基于三次樣條插值函數(shù)，采用光電探測(cè)方法，對(duì)球形機(jī)器人軌跡跟蹤的控制策略進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。

第8章 球形機(jī)器人的仿真及實(shí)驗(yàn)研究。完成了TSR-I型球形機(jī)器人樣機(jī)系統(tǒng)的研制，為進(jìn)一步深入研究構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。以TSR-I型球形機(jī)器人樣機(jī)為研究對(duì)象，進(jìn)行了部分實(shí)驗(yàn)研究。同時(shí)，還基于ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)，對(duì)球形機(jī)器人的性能進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，以進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制策略的正確性。

第9章 總結(jié)與展望。對(duì)研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了總結(jié)，并在此基礎(chǔ)上提出了今后進(jìn)一步的研究方向。