1.5.2 研究内容安排

本书围绕球形机器人的驱动方式和控制策略展开研究，内容安排如下。

第1章 绪论。阐述了国内外球形机器人的研究现状，通过对以往研究成果的分析、对比，剖析了现有驱动原理、结构设计存在的不足。围绕驱动方式和控制策略两个研究方向，提出了技术路线和具体研究内容。

第2章 球形机器人电磁驱动原理及性能研究。在对以往的驱动方式原理深入研究的基础上，将改变质心和角动量守恒定律两种驱动工作原理结合在一起，提出一种具备结构新颖简单、易于实现的电磁驱动全方位运动球形机器人方案，克服现有球形机器人驱动机构的不足。并以电磁驱动球形机器人为研究对象，对球形机器人的滚动条件、越障能力、爬坡能力、滑动条件、转弯特性等进行了基本的静力学分析。

第3章 球形机器人流体驱动原理及性能研究。提出了一种流体驱动的球形机器人驱动原理，以密封流体环代替传统的等效摆来改变球形机器人质心，由此实现球形机器人的前进和后退。并以流体驱动球形机器人为研究对象，对球形机器人的滚动条件、越障能力、爬坡能力、滑动条件、转弯特性等进行了基本的静力学分析。

第4章 离合式半球差动球形机器人的设计与分析。球形机器人的平衡性、运动的稳定性相比传统的轮式机器人较差，鉴于此，提出一种既具有球形机器人特点，又具有轮式机器人特点的新型球形机器人结构——离合式半球差动球形机器人。离合式半球差动球形机器人的左右半球有展开、闭合两种状态，当两半球处于展开状态时，具有轮式机器人的特点，可在较好的地形环境下，平稳、快速前进或后退；当左右半球处于闭合状态时，具有球形机器人的“不怕翻倒、运动灵活”等特点。同时，当半球差动球形机器人的左右半球角速度大小相等、方向相反时，其转弯半径为零，实现了原地转弯。最后对三种结构的球形机器人进行了静力学分析、对比研究，并将各自的特点进行了归纳总结。

第5章 球形机器人运动学、动力学分析。基于欧拉角描述的方法，建立了球形机器人的运动学方程，推导出其无滑动的滚动运动的约束方程，并以三个欧拉角为广义坐标，采用拉格朗日方程的方法，建立了球形机器人系统的动力学方程，为球形机器人的控制策略的设计、实现奠定了基础。同时，还分析了向心力、陀螺效应等因素对球形机器人转弯过程的影响。

第6章 球形机器人控制策略的研究。基于一类特殊的非线性控制——变结构滑模控制（Variable Structure Control, VSC）方法，分别在球形机器人运动学方程和动力学方程的基础上，合理选择了系统的滑模切面函数，建立了运动学和动力学的滑模控制策略，并在Simulink的环境下，对所建立的控制策略进行了仿真实验研究。

第7章 球形机器人控制系统设计及轨迹跟踪研究。以8051系列单片机芯片作为球形机器人控制系统的主控芯片，搭建了球形机器人的内部控制系统平台，包括主控、直行、转向和路径检测四个模块。并基于三次样条插值函数，采用光电探测方法，对球形机器人轨迹跟踪的控制策略进行了理论分析和实验研究。

第8章 球形机器人的仿真及实验研究。完成了TSR-I型球形机器人样机系统的研制，为进一步深入研究构建了实验平台。以TSR-I型球形机器人样机为研究对象，进行了部分实验研究。同时，还基于ADAMS虚拟样机技术，对球形机器人的性能进行了仿真实验，以进一步验证结构设计及控制策略的正确性。

第9章 总结与展望。对研究内容进行了总结，并在此基础上提出了今后进一步的研究方向。