2.3.1 单电磁线圈驱动球形机器人方案设计

图2.1所示为单电磁线圈驱动全方位运动球形机器人TSR-I机构组成示意图。电磁驱动全方位运动球形机器人装置包括球壳、磁钢环和内驱动结构。机器人球壳由两半球壳组成，在球壳内壁装有磁钢环，磁钢环与球壳内壁固定连接并与球壳同心，磁钢环与左、右半球壳通过螺钉紧固，磁钢环上均匀布置永磁磁钢，相邻两个永磁磁钢或电磁铁的N极朝向相反。位于球壳内部的内驱动结构主要包括：托架、主轴、电动机、电磁线圈、飞轮、供电电源及控制器等。主轴通过轴承与球壳连接，电磁线圈支撑结构的其他部件通过托架悬挂于主轴上，电磁线圈磁极端与任意一个安装在球壳上的永磁磁钢的磁极端相对，或者与相邻永磁磁钢之间的球壳部分相对。控制电路控制两个电磁线圈的极性交替变化，通过电磁线圈的磁芯与永磁磁钢的吸引力或排斥力，带动内部驱动机构绕主轴旋转，由此实现球形机器人的前进和后退；电动机带动飞轮一起旋转，根据角动量守恒定律，球形机器人将按飞轮旋转的反方向旋转，由此实现电磁驱动球形机器人的转向。

1.左半球壳；2.右半球壳；3.磁钢环；4.永磁磁钢；5.托架

6.供电电源及控制器；7.飞轮；8.电磁线圈；9.电动机；10.主轴

图2.1 单电磁线圈驱动全方位运动球形机器人TSR-I机构组成示意图

图2.2所示为单电磁线圈驱动全方位运动球形机器人TSR-I局部剖视图。为确保球形机器人运动方向的可控性，电磁线圈的安装位置应满足：当左侧电磁线圈与某块永磁磁钢正对时，右侧电磁线圈正好介于两块永磁磁钢中间。同理，当右侧电磁线圈与某块永磁磁钢正对时，左侧电磁线圈正好介于两块永磁磁钢中间。设两电磁线圈相对于球壳球心的夹角为α，相邻永磁磁钢相对于球壳球心的夹角为β，则α与β之间的关系应满足：

根据以上设计方案，单电磁线圈驱动全方位运动球形机器人具有以下特点。

（1）球壳采用上下两半球壳组合而成，加工容易，安装方便。

（2）球形机器人的内部空间利用率大，提高了球形机器人的承载能力。

（3）利用电磁步进的原理实现球形机器人的前进和后退，与传统的球形机器人相比，结构简单、可靠，运动稳定、灵活，可控性强。

（4）利用电动机带动飞轮转动实现球形机器人的转向，结构紧凑，无转动损耗，转弯半径小，可实现球形机器人的原地转弯。

（5）可根据不同的用途制作不同尺寸的球形机器人，可形成系列化产品。

1.磁钢环；2.永磁磁钢；3.飞轮；4.供电电源及控制器；5.电磁线圈；6.电动机

图2.2 单电磁线圈驱动全方位运动球形机器人TSR-I局部剖视图