何雪涛 刘由之 焦志伟 于 源 杨卫民 马昊鹏

(北京化工大学机电工程学院， 北京 100029)

0 引言

滚动是将旋转与线位移复合的运动形式，是机器人较为常见的一种运动方式。目前，滚动机器人的主要驱动方式有基于机器人本体变形和基于机器人体内质心的偏移[1-2]。与几何机器人变形[3]不同，基于机器人本体变形的驱动方式主要是将柔性圆形外壳通过外力使其变成椭圆，脱离原来的稳态，从而产生运动[4-5]。SUGIYAMA等[4]制作的滚动机器人利用弹性圆环内部的SMA线的热伸缩特性使滚轮变形，实现滚动。对于此类基于本体变形实现滚动的机器人，相关研究人员对其进行了运动理论分析[6]。基于机器人体内质心偏移的驱动方式主要包括电机配重驱动[7-8]、滑轨驱动[9]、轮式驱动等[10-12]。JAVADI等[9]利用电机驱动球内重物在导轨上滑动，使机器人重心偏移，从而实现滚动。文献[11]通过小车在机器人内壁的爬行，间接地改变机器人整体重心，从而驱动机器人滚动。目前，该类机器人有完善的驱动和控制策略理论[13-14]。

相较于传统方式多采用的电动驱动，采用气动驱动方式能够降低机器人的复杂性，解决了在某些隔离环境下的电源供给问题和强电磁干扰下的电路控制问题[15-16]。气动驱动的方式分为气泵驱动[17-19]、压缩空气驱动[20-21]和化学反应产生气体驱动[22-24]。使用化学反应产生气体的驱动方式，其优点是供气设备和原料总质量最小，更便于机器人轻量化[15]。本文基于重心改变实现滚动的原理，设计基于化学反应自驱动的滚动机器人，通过设计流量随角度变化的重力阀来代替传统的传感器和电磁阀，以完成滚动机器人的自驱动控制，并通过实验分析自驱动滚动机器人的运动特性和性能。……