１ 结构 设 计
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