1.5.1 本书研究内容和技术路线

本书在对国外已有球形机器人结构分析的基础上，研究开发若干新型球形机器人驱动方式，并对这些球形机器人的运动性能、机构合理性、控制方便性和可行性等进行综合分析，为球形机器人的运动学、动力学分析及其样机的设计奠定基础，具体包括以下几个方面。

（1）新型驱动原理的构建。提出若干“新型球形机器人”驱动方案，并对新型球形机器人的滚动条件、越障能力、爬坡能力、滑动条件、转弯特性等进行静力学分析，以评价其主要性能指标。

（2）球形机器人运动学和动力学分析。利用分析力学、非线性数学及非完整系统理论，对球体在水平面上的运动进行运动学分析，推导其无滑动的滚动运动的约束方程；以欧拉角为广义坐标，建立球形机器人的拉格朗日动力学方程，为球形机器人控制策略的设计、实现奠定理论基础。

（3）控制策略研究。基于“非线性滑模控制”的研究方法，对欠驱动的球形机器人的运动控制问题进行深入研究，并分别设计横向姿态控制器和纵向速度控制器，建立其运动学和动力学的滑模控制策略，并对所建立的控制策略进行仿真、实验研究。

（4）控制平台的设计及实现。根据球形机器人的功能要求，采用步进电机、直流伺服电机作为驱动元件，完成控制系统的硬件设计，搭建球形机器人内部控制系统平台。

（5）路径规划的研究。基于三次样条插值原理，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。

（6）样机研制和实验研究。研制球形机器人的实体样机，并分别进行直线行走、圆弧运动和爬坡能力实验研究，以验证动力学模型和控制策略的有效性和准确性。

（7）基于ADAMS的仿真研究。基于ADAMS虚拟样机技术，对球形机器人的性能进行仿真研究，以进一步验证驱动原理、结构设计及控制策略的正确性。