2.3.1 單電磁線圈驅動球形機器人方案設計

圖2.1所示為單電磁線圈驅動全方位運動球形機器人TSR-I機構組成示意圖。電磁驅動全方位運動球形機器人裝置包括球殼、磁鋼環和內驅動結構。機器人球殼由兩半球殼組成，在球殼內壁裝有磁鋼環，磁鋼環與球殼內壁固定連接并與球殼同心，磁鋼環與左、右半球殼通過螺釘緊固，磁鋼環上均勻布置永磁磁鋼，相鄰兩個永磁磁鋼或電磁鐵的N極朝向相反。位于球殼內部的內驅動結構主要包括：托架、主軸、電動機、電磁線圈、飛輪、供電電源及控制器等。主軸通過軸承與球殼連接，電磁線圈支撐結構的其他部件通過托架懸掛于主軸上，電磁線圈磁極端與任意一個安裝在球殼上的永磁磁鋼的磁極端相對，或者與相鄰永磁磁鋼之間的球殼部分相對。控制電路控制兩個電磁線圈的極性交替變化，通過電磁線圈的磁芯與永磁磁鋼的吸引力或排斥力，帶動內部驅動機構繞主軸旋轉，由此實現球形機器人的前進和后退；電動機帶動飛輪一起旋轉，根據角動量守恒定律，球形機器人將按飛輪旋轉的反方向旋轉，由此實現電磁驅動球形機器人的轉向。

1.左半球殼；2.右半球殼；3.磁鋼環；4.永磁磁鋼；5.托架

6.供電電源及控制器；7.飛輪；8.電磁線圈；9.電動機；10.主軸

圖2.1 單電磁線圈驅動全方位運動球形機器人TSR-I機構組成示意圖

圖2.2所示為單電磁線圈驅動全方位運動球形機器人TSR-I局部剖視圖。為確保球形機器人運動方向的可控性，電磁線圈的安裝位置應滿足：當左側電磁線圈與某塊永磁磁鋼正對時，右側電磁線圈正好介于兩塊永磁磁鋼中間。同理，當右側電磁線圈與某塊永磁磁鋼正對時，左側電磁線圈正好介于兩塊永磁磁鋼中間。設兩電磁線圈相對于球殼球心的夾角為α，相鄰永磁磁鋼相對于球殼球心的夾角為β，則α與β之間的關系應滿足：

根據以上設計方案，單電磁線圈驅動全方位運動球形機器人具有以下特點。

（1）球殼采用上下兩半球殼組合而成，加工容易，安裝方便。

（2）球形機器人的內部空間利用率大，提高了球形機器人的承載能力。

（3）利用電磁步進的原理實現球形機器人的前進和后退，與傳統的球形機器人相比，結構簡單、可靠，運動穩定、靈活，可控性強。

（4）利用電動機帶動飛輪轉動實現球形機器人的轉向，結構緊湊，無轉動損耗，轉彎半徑小，可實現球形機器人的原地轉彎。

（5）可根據不同的用途制作不同尺寸的球形機器人，可形成系列化產品。

1.磁鋼環；2.永磁磁鋼；3.飛輪；4.供電電源及控制器；5.電磁線圈；6.電動機

圖2.2 單電磁線圈驅動全方位運動球形機器人TSR-I局部剖視圖