球形机器人是一类将驱动机构放置在球壳内部,外部形状是球形或者类球形的机器人,具有密封性强、空间占比低和运动灵活等优点。比较适合行驶在管道环境下。本文针对管道环境设计了一种新型结构的球形机器人,设计其硬件电路与软件控制系统,最终对球形机器人在管道内部的运动控制进行研究。本文的主要研究内容有:(1)针对管道环境,设计一种双齿轮齿圈驱动的半球差动球形机器人,这种结构既有全封闭的区域空间,也有暴露在管道环境下的非封闭区间。对所设计的球形机器人进行三维建模;建立该球形机器人的运动学模型,为后期运动控制提供理论依据;利用虚拟样机技术建立球形机器人的虚拟样机,并且用ADAMS对机器人在管道内部的直线运动和转向运动进行运动仿真;最后制作球形机器人的物理样机。(2)设计球形机器人的运动控制系统,包括机器人的硬件电路的搭建以及软件的设计。硬件电路包括最小系统电路、电源电路、通信模块电路、传感器电路等。在软件的设计上,包括服务端软件和机载软件的设计,机载软件包括主程序以及各个子程序的编写,服务端软件主要是通信界面的设计。(3)将位置式PID控制算法与增量式PID控制算法进行比较,选择增量式PID控制算法作为球形机器人的速度和姿态的控制算法。球形机器人的姿态解算方法常有欧拉角法、方向余弦法、四元数法,对这三种算法进行对比,最终选择四元数法对球形机器人的姿态进行解算。(4)搭建实验环境,包括球形机器人硬件电路的连接、软件程序的编写以及实验所需管道环境的搭建。首先对惯性测量装置以及姿态解算算法进行实验,实验证明所设计的惯性测量单元与姿态解算算法能有效地追踪载体的姿态。然后将球形机器人放入管道内部,进行直线和转弯运动的实验。实验证明所设计的运动控制系统具有良好的稳定性,见证了所设计的运动控制算法的效果,实现了球形机器人在管道环境下的基本运动控制。