[论文解读] "RollRoller" Novel Spherical Mobile Robot Basic Dynamical Analysis and Motion Simulations

Seyed Amir Tafrishi|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2016

Control and Dynamics of Mobile Robots参考文献 35被引用 7

一句话总结

本文提出了一种新型气动驱动球形移动机器人RollRoller，其内置驱动单元（IDU）可通过重力、转矩和角动量实现全向运动。通过欧拉-拉格朗日动力学方法及MATLAB Simulink与Adams/View中的仿真，研究验证了前进运动与圆周运动，展示了无需反馈控制即可实现自主运动，表明RollRoller在探索与救援任务中具有可行性。

ABSTRACT

This paper introduces novel air actuated spherical robot called "RollRoller". The RollRoller robot consists of two essential parts: tubes covered with a shell as a frame and mechanical controlling parts to correspond movements. The RollRoller is proposed to be high potential alternative for exploration and rescue missions robots because robot utilizing its locomotion via all possible deriving methods (gravity, torque and angular momentum forces). In beginning , characteristic and role of each of component and features were explained. Next, to determine the uniqueness of this robot, the known and other extra possible motions are shown by proposing their own algorithmic movements. To illustrate main motion of this robot was inherent to mathematical models, the forward direction dynamical behavior on flat surface was derived. Additionally, Matlab Simulink was used to plot the results to validate the behavior for both fractional and non-fractional terrains. Lastly, after designing the model of robot in Solidworks Program, Adams/View visualization software ( the robot simulated form ) was utilized to proof the Matlab Simulink results and to show the more detailed and complete form of locomotion including the forward direction and circular locomotion in proposed robot.

研究动机与目标

• 开发一种新型球形移动机器人“RollRoller”，配备创新的内部驱动单元（IDU），以提升运动灵活性。
• 利用欧拉-拉格朗日方程分析机器人的动力学特性，并推导前进与转向运动的非线性运动模型。
• 在MATLAB Simulink与Adams/View中进行仿真与验证，以实现前进与圆周运动的运动行为。
• 设计并验证机器人的SolidWorks三维模型，并将其导入Adams/View以进行详细的动力学仿真。
• 通过全面的仿真验证，评估机器人在探索与救援任务中实际部署的潜力。

提出的方法

• 采用欧拉-拉格朗日方法建立RollRoller动力学的数学模型，推导出有摩擦与无摩擦条件下的前进运动方程。
• 在MATLAB Simulink中实现数值仿真，以可视化并验证机器人在不同地形条件下的平动与转动行为。
• 使用SolidWorks创建机器人物理结构的三维模型，包括外壳、管道及内部核心机构，以支持仿真集成。
• 将SolidWorks模型导入Adams/View，进行多体动力学仿真，实现对复杂运动（如圆周转向）的可视化。
• 设计并仿真无反馈控制的运动算法，依赖内部质量偏移与角动量实现前进与圆周运动。
• 在MATLAB与Adams/View两个平台验证仿真结果，确保运动预测的一致性与准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 RollRoller的内部驱动单元（IDU）如何通过重力、转矩与角动量实现全向运动？
• RQ2 RollRoller在平坦表面前进运动的非线性动力学方程是什么？这些方程如何考虑摩擦的影响？
• RQ3 MATLAB Simulink与Adams/View中的仿真结果在多大程度上验证了理论动力学与预期运动行为？
• RQ4 RollRoller能否在无反馈控制条件下实现稳定的圆周运动？其背后的物理机制是什么？
• RQ5 内部质量分布（核心位置）如何影响机器人质心及运动过程中的转向动力学？

主要发现

• 欧拉-拉格朗日方法成功推导出RollRoller在有摩擦与无摩擦条件下的非线性运动方程，为理论研究提供了坚实基础。
• MATLAB Simulink仿真验证了RollRoller的预期行为，显示Y轴位移收敛至约0.32米，符合质心动力学特性。
• Adams/View仿真结果与MATLAB一致，验证了前进与圆周运动的准确性，并展现出稳定的轨迹模式。
• 机器人在无反馈控制条件下实现了稳定的90°转向运动，其驱动力源于内部质量分布的非对称性与角动量，尽管核心位置出现轻微振荡。
• 结合SolidWorks建模与Adams/View仿真，实现了对复杂运动（包括质量分布影响与路径跟踪）的详细可视化。
• 所有平台的仿真结果保持一致，证实RollRoller作为未来救援与探索任务中可实际部署的移动机器人具备可行性。