球形机器人增加变直径功能，在机器人坠落触地时，有助于保护其内部结构？ 机器人的移动方式始终是机器人研究中非常重要的课题，球形机器人的前后滚动型移动方式很独特，且发展较晚，只有不到30年的历史，成为机器人移动方式新的发展方向。 球形机器人的行进主要包括前进、后退与转向运动，在此基础上有的球形机器人还拥有一定的跳跃能力。球形机器人凭借结构设计上的优势，在诸多领域都有相关应用。 2017年，北京理工大学的研究人员，设计出了一款仿生小型两栖球形机器人，用于水下环境检测能够在恶劣环境中执行任务，保障了人员的安全。 2021年，北京邮电大学某科研小组，设计了一款能在复杂地形中移动的球形机器人，可以将其应用在灾后救援、管道内部检查等方面，极大提高了搜寻效率。 本篇文章参考单重摆驱动型球形机器人，设计了可变直径的球壳，球壳内部设计了差动式对中机构，对机器人整体进行动力学建模，并制作样机对机器人坠落缓冲功能进行验证。 如下图1所示，变直径球形机器人主要由变直径球壳和对中机构组成，机器人的整体重心位于对中机构的中心偏下处。变直径球壳参考足球的设计，由20个可变边长的正六边形单元、12个正五边形单元和60个连接件组成。 如下图2所示的2自由度菱形四杆机构，改变∠AOB的大小即可改变对角线OC的长度，6组四杆机构组成六边形单元，将单元中的杆件分配于上下两层，单元缩放时，上下两层旋转方向相反。 如果使用球面副连接，则易知球面上的所有六边形单元与五边形单元的边长相等，而每个球面副将直接连接相邻的3个单元的6根杆件。 由于实际制造时难以找到现有的球面副能够直接连接6根杆件，所以采用3个轴线交于空间中一点的转动副代替球面副，这3个转动副构成一个单独的连接件，如下图3所示。 球壳表面的弧面元件分别为六边形和五边形，在球壳放大或缩小的过程中，弧面元件本身的大小不改变，但会随着单元的变形而旋转。 设计合适的弧面元件边长可避免弧面元件在旋转中产生干涉，假设2个六边形单元在平面内变大，弧面元件的间隙与弧面元件边长之间的关系如下图4所示。 由于球壳能够改变直径，所以机器人内部的驱动器等不能直接与2个前进电机固定连接。前后齿环同轴，前进电机同轴。 2个对中电机分别通过减速器驱动前后2个对中齿环，对中齿环通过对中连杆连接2个前进电机。2个对中电机驱动齿环反向旋转控制缩放，驱动齿环同向旋转时控制重心侧向偏移，下图5为对中机构的简略示意图。 机器人样机的控制系统如下图6所示，对中电机控制器控制2个对中电机的输出扭矩，结合磁编码器控制机器人直径的变化和重心，相对于机器人前进轴的侧向偏转角度。 机器人初始化时，通过微动开关确认前后齿环的机械偏置，同时将确认信号发送给前进电机控制器，前进电机的控制器控制前进电机的速度与旋转角度差值，辅助机器人改变直径。 由于前进电机在直径变化时将发生相对旋转，前进电机的控制器，依靠编码器控制2个前进电机的相对转角，控制过程如下图7所示。 机器人转向时，2个对中电机驱动前后齿环同向旋转，使内部重心发生侧偏转，产生侧偏力矩控制机器人转向，机器人转向时对中机构的状态简图如下图8所示。 机器人样机的零件主要采用3D打印的方式制作，材料主要为PLA，打印精度为±0.1mm。球壳保持在目标直径时，可在外力的作用下被动改变直径，这使得球壳能够通过改变直径来抵抗压力或吸收冲击，例如在坠落时表现出弹性。 使用机器人样机进行坠落试验，以最小直径进行离地120mm的坠落试验，再以半径140mm进行坠落实验，球壳分别处于低刚度、中刚度和高刚度模式。 3种模式下半径偏差的比例项参数分别为0.1、0.3和1，积分项参数为0.01、0.03和0.1，无微分项，离地高度均为120mm。记录实验数据如下图9所示，数据记录频率为50Hz。 在3种刚度模式下，球壳半径被压缩的速度和对中电机扭矩增速均与刚度相关，低刚度时半径被压缩得最快，扭矩增加得最慢，高刚度时半径被压缩得最慢，扭矩增加得最快。这表明机器人可通过选用更小的球壳刚度，来减小从高处坠落时的冲击，以保护内部结构。 本篇文章针对刚体球壳机器人，设计了一种变直径机构，该机构可通过设置不同的PID控制器参数使球壳呈现出不同的刚度，这使得球壳在受外力作用时表现为弹簧阻尼结构，通过坠落实验验证了其具有一定的吸收冲击的能力。