考虑摩擦和电机动力学的球形机器人轨迹跟踪控制
发布时间：2021-12-19 01:01
由于运动灵活、在滚动过程中不会翻倒及结构简单等特点,球形机器人在工业、生活等领域都有很好的应用前景。对球形机器人进行运动控制,是完成任务的前提,然而在运动过程中,球形机器人独有的点接触特性,增大运动控制器的设计难度。轨迹跟踪问题是在实际应用范围最为广泛的运动控制问题,因此对球形机器人的轨迹跟踪控制器进行研究具有重要的理论意义和应用前景。本文的研究工作围绕球形机器人的轨迹跟踪问题展开,重点解决摩擦、驱动电机、参数不确定性等因素对轨迹跟踪控制的影响,建立球形机器人系统的数学模型,设计轨迹跟踪控制器,提高系统轨迹跟踪精度。论文的主要研究工作如下:1、采用Kane方法,推导出球形机器人的动力学模型,为后续控制策略的研究提供了重要的理论依据。2、针对采用动力学模型描述的球形机器人系统,对轨迹跟踪控制问题进行了研究。基于双幂次趋近律对滑模动力学力矩控制器进行设计,使得球形机器人系统无论从任一起始位置出发,到达滑模面的收敛速度高于常见的传统趋近律（指数趋近律等）。该控制策略保证了系统能够在固定时间内跟踪上期望轨迹,实现了抑制系统抖振的目的,且提高控制精度。3、考虑到摩擦对球形机器人运动特性及轨迹跟踪...
【文章来源】：北京交通大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：114 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１球形机器人Ｒ〇１１ｏ［４］??Ｆｉｇ．?１－１?Ｔｈｅ?ｓｐｈｅｒｉｃａｌ?ｒｏｂｏｔ“Ｒｏｌｌｏ’’［４］??
??图１－１球形机器人Ｒ〇１１ｏ［４］??Ｆｉｇ．?１－１?Ｔｈｅ?ｓｐｈｅｒｉｃａｌ?ｒｏｂｏｔ“Ｒｏｌｌｏ’’［４］??在?１９９７?年，意大利比萨大学（ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｉｓａ／Ｓｉｅｎａ）的?ＡｎｔｏｍｉｏＢｉｃｃｈｉ?等??人受到了?“Ｒｏｌｌｏ”的启发，设计了一种新型结构的球形机器人“Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ”?［５］，??如图１－２所示。该球形机器人主要由驱动轮、平衡轮、驱动电机、拉簧以及系统??组件等构成，两个大轮为驱动轮，分别由两个交错的驱动电机驱动，两个小轮为??平衡轮，以保证驱动单元在滚动过程中保持平衡。当两个驱动轮为同步转动时能??够实现球形机器人的前进运动，当两个驱动轮为差速转动时能够实现球形机器人??的转向运动。这款球形机器人能够保证连续运动，但是其适应复杂多变环境的能??力较弱。??．：■系脑件?＼??Ｉ?飼ｉＬＨ??＇平硫——Ｆ??图１－２车驱动式球形机器人Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ??Ｆｉｇ．?１－２?Ｔｈｅ?ｃａｒ?ｄｒｉｖｅｎ?ｓｐｈｅｒｉｃａｌ?ｒｏｂｏｔ?“Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ”１５］??美国密歇根州立大学（Ｍｉｃｈｉｇａｎ?Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）的?Ｒａｎｊａｎ?Ｍｕｋｈｅｉｊｅｅ?和?Ｍａｒｋ?Ａ??Ｍｉｎｏｒ设计了一种以移动质量为驱动机构的球形机器人“Ｓｐｈｅｒｏｂｏｔ”?［６］。如图１－３??所示的球形机器人包含了移动质量、丝杠、可伸缩支架以及可伸缩摄像头等构件，??丝杠与驱动电机轴连接
卡内基梅隆大学（Ｃａｒｎｅｇｉｅ?Ｍｅｌｌｏｎ?Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）的以Ｂｒｏｗｎ?ＨＢ?Ｊｒ为首的研??宄团队和以Ｅｎｒｉｑｕｅ?Ｄ?Ｆ为首的研宄团队研制了两代以陀螺为驱动方式的蝶形机??器人“Ｇｙｒｏｖｅｒ”，其结构简图如图１－４所示［７］。Ｇｙｒｏｖｅｒ由陀螺、前进电机、转向??电机以及气胎等构成，其基本工作原理是前进电机与球壳直接接触，当前进电机??转动时，球形机器人可以完成前进运动；转向电机与陀螺连接，当转向电机转动??时会改变陀螺的倾角从而改变球形机器人的运动方向，实现全方位运动。该设计??提高了控制机器人的转弯精度，使其运动稳定性增强，但不具备原地转向能力且??系统能量消耗较大。??＾￣￣￣■—气，???电池’??图１?－４?Ｇｙｒｏｖｅｒ结构简图??Ｆｉｇ．?１－４?Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ?ｏｆ?Ｇｙｒｏｖｅｒ［７】??加拿大魁北克谢布鲁克大学（Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ?ｏｆ?Ｓｈｅｒｂｒｏｏｋｅ）的Ｆｒａｎｃｏｉｓ?Ｍｉｃｈａｕｄ??和Ｓｅｒｇｅ?Ｃａｒｏｎ等研制了一款玩具机器人“Ｒｏｂａｌｌ”，如图１－５所示［８］。该球形机器??人己经投入使用，其视觉和声音等传感器的加入，能够根据传感器提供的信息，??使得球形机器人自主运动到儿童身边
【参考文献】：
期刊论文
[1]具有立体视觉的球形机器人及其运动控制[J]. 叶平,韩亮亮,张天石,王轩,孙汉旭. 机械工程学报. 2013(11)
[2]具有两种运动模式的球形机器人动力学建模与设计[J]. 赵伟,孙汉旭,贾庆轩,张延恒,于涛. 吉林大学学报(工学版). 2013(05)
[3]球形机器人动力学建模及运动特性分析[J]. 郑一力,孙汉旭. 机械设计. 2012(02)
[4]双偏心块驱动球形机器人原地转向运动控制[J]. 赵勃,李满天,孙立宁. 哈尔滨工业大学学报. 2011(11)
[5]非完整移动机器人轨迹跟踪自适应控制器设计[J]. 李会来,李小民,陈静华. 传感器与微系统. 2011(05)
[6]有限时间控制问题综述[J]. 丁世宏,李世华. 控制与决策. 2011(02)
[7]BYQ-3球形机器人的动力学模型[J]. 孙汉旭,王亮清,贾庆轩,刘大亮. 机械工程学报. 2009(10)
[8]含有驱动器模型的移动机器人自适应跟踪控制[J]. 岳李勇,谢巍. 控制理论与应用. 2008(06)
[9]一种全向滚动球形机器人的动力学建模与仿真[J]. 李团结,严天宏,张学锋. 系统仿真学报. 2007(18)
[10]滑模变结构控制理论及其算法研究与进展[J]. 刘金琨,孙富春. 控制理论与应用. 2007(03)
博士论文
[1]望远镜中跟踪架的扰动补偿及精密控制技术研究[D]. 蔡华祥.中国科学院研究生院(光电技术研究所) 2016
[2]高阶滑模控制理论及其在欠驱动系统中的应用研究[D]. 杨洁.北京理工大学 2015
[3]多自由度两轮自平衡机器人技术研究[D]. 戴福全.北京理工大学 2015
[4]球形机器人坡面运动的控制方法研究[D]. 于涛.北京邮电大学 2014
[5]不确定非完整轮式移动机器人的运动控制研究[D]. 叶锦华.华南理工大学 2013
[6]一种紧急救援的带臂球形机器人的研究[D]. 史成坤.北京邮电大学 2010
[7]带有机械臂的球形机器人若干问题的研究[D]. 庄未.北京邮电大学 2009
[8]移动机械手的逆运动学及滑模变结构轨迹跟踪控制研究[D]. 梅红.山东大学 2009
[9]一种球形移动机器人的运动分析与控制技术的研究[D]. 刘大亮.北京邮电大学 2009
硕士论文
[1]球形机器人嵌入式运动控制系统研究[D]. 王力.北京交通大学 2016
[2]非完整移动机器人的自适应滑模轨迹跟踪控制研究[D]. 吴青云.长安大学 2007
[3]基于LuGre模型的摩擦力矩补偿研究[D]. 王喜明.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所） 2007
本文编号：3543484
【文章来源】：北京交通大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：114 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１球形机器人Ｒ〇１１ｏ［４］??Ｆｉｇ．?１－１?Ｔｈｅ?ｓｐｈｅｒｉｃａｌ?ｒｏｂｏｔ“Ｒｏｌｌｏ’’［４］??
??图１－１球形机器人Ｒ〇１１ｏ［４］??Ｆｉｇ．?１－１?Ｔｈｅ?ｓｐｈｅｒｉｃａｌ?ｒｏｂｏｔ“Ｒｏｌｌｏ’’［４］??在?１９９７?年，意大利比萨大学（ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｉｓａ／Ｓｉｅｎａ）的?ＡｎｔｏｍｉｏＢｉｃｃｈｉ?等??人受到了?“Ｒｏｌｌｏ”的启发，设计了一种新型结构的球形机器人“Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ”?［５］，??如图１－２所示。该球形机器人主要由驱动轮、平衡轮、驱动电机、拉簧以及系统??组件等构成，两个大轮为驱动轮，分别由两个交错的驱动电机驱动，两个小轮为??平衡轮，以保证驱动单元在滚动过程中保持平衡。当两个驱动轮为同步转动时能??够实现球形机器人的前进运动，当两个驱动轮为差速转动时能够实现球形机器人??的转向运动。这款球形机器人能够保证连续运动，但是其适应复杂多变环境的能??力较弱。??．：■系脑件?＼??Ｉ?飼ｉＬＨ??＇平硫——Ｆ??图１－２车驱动式球形机器人Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ??Ｆｉｇ．?１－２?Ｔｈｅ?ｃａｒ?ｄｒｉｖｅｎ?ｓｐｈｅｒｉｃａｌ?ｒｏｂｏｔ?“Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ”１５］??美国密歇根州立大学（Ｍｉｃｈｉｇａｎ?Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）的?Ｒａｎｊａｎ?Ｍｕｋｈｅｉｊｅｅ?和?Ｍａｒｋ?Ａ??Ｍｉｎｏｒ设计了一种以移动质量为驱动机构的球形机器人“Ｓｐｈｅｒｏｂｏｔ”?［６］。如图１－３??所示的球形机器人包含了移动质量、丝杠、可伸缩支架以及可伸缩摄像头等构件，??丝杠与驱动电机轴连接
卡内基梅隆大学（Ｃａｒｎｅｇｉｅ?Ｍｅｌｌｏｎ?Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）的以Ｂｒｏｗｎ?ＨＢ?Ｊｒ为首的研??宄团队和以Ｅｎｒｉｑｕｅ?Ｄ?Ｆ为首的研宄团队研制了两代以陀螺为驱动方式的蝶形机??器人“Ｇｙｒｏｖｅｒ”，其结构简图如图１－４所示［７］。Ｇｙｒｏｖｅｒ由陀螺、前进电机、转向??电机以及气胎等构成，其基本工作原理是前进电机与球壳直接接触，当前进电机??转动时，球形机器人可以完成前进运动；转向电机与陀螺连接，当转向电机转动??时会改变陀螺的倾角从而改变球形机器人的运动方向，实现全方位运动。该设计??提高了控制机器人的转弯精度，使其运动稳定性增强，但不具备原地转向能力且??系统能量消耗较大。??＾￣￣￣■—气，???电池’??图１?－４?Ｇｙｒｏｖｅｒ结构简图??Ｆｉｇ．?１－４?Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ?ｏｆ?Ｇｙｒｏｖｅｒ［７】??加拿大魁北克谢布鲁克大学（Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ?ｏｆ?Ｓｈｅｒｂｒｏｏｋｅ）的Ｆｒａｎｃｏｉｓ?Ｍｉｃｈａｕｄ??和Ｓｅｒｇｅ?Ｃａｒｏｎ等研制了一款玩具机器人“Ｒｏｂａｌｌ”，如图１－５所示［８］。该球形机器??人己经投入使用，其视觉和声音等传感器的加入，能够根据传感器提供的信息，??使得球形机器人自主运动到儿童身边
【参考文献】：
期刊论文
[1]具有立体视觉的球形机器人及其运动控制[J]. 叶平,韩亮亮,张天石,王轩,孙汉旭. 机械工程学报. 2013(11)
[2]具有两种运动模式的球形机器人动力学建模与设计[J]. 赵伟,孙汉旭,贾庆轩,张延恒,于涛. 吉林大学学报(工学版). 2013(05)
[3]球形机器人动力学建模及运动特性分析[J]. 郑一力,孙汉旭. 机械设计. 2012(02)
[4]双偏心块驱动球形机器人原地转向运动控制[J]. 赵勃,李满天,孙立宁. 哈尔滨工业大学学报. 2011(11)
[5]非完整移动机器人轨迹跟踪自适应控制器设计[J]. 李会来,李小民,陈静华. 传感器与微系统. 2011(05)
[6]有限时间控制问题综述[J]. 丁世宏,李世华. 控制与决策. 2011(02)
[7]BYQ-3球形机器人的动力学模型[J]. 孙汉旭,王亮清,贾庆轩,刘大亮. 机械工程学报. 2009(10)
[8]含有驱动器模型的移动机器人自适应跟踪控制[J]. 岳李勇,谢巍. 控制理论与应用. 2008(06)
[9]一种全向滚动球形机器人的动力学建模与仿真[J]. 李团结,严天宏,张学锋. 系统仿真学报. 2007(18)
[10]滑模变结构控制理论及其算法研究与进展[J]. 刘金琨,孙富春. 控制理论与应用. 2007(03)
博士论文
[1]望远镜中跟踪架的扰动补偿及精密控制技术研究[D]. 蔡华祥.中国科学院研究生院(光电技术研究所) 2016
[2]高阶滑模控制理论及其在欠驱动系统中的应用研究[D]. 杨洁.北京理工大学 2015
[3]多自由度两轮自平衡机器人技术研究[D]. 戴福全.北京理工大学 2015
[4]球形机器人坡面运动的控制方法研究[D]. 于涛.北京邮电大学 2014
[5]不确定非完整轮式移动机器人的运动控制研究[D]. 叶锦华.华南理工大学 2013
[6]一种紧急救援的带臂球形机器人的研究[D]. 史成坤.北京邮电大学 2010
[7]带有机械臂的球形机器人若干问题的研究[D]. 庄未.北京邮电大学 2009
[8]移动机械手的逆运动学及滑模变结构轨迹跟踪控制研究[D]. 梅红.山东大学 2009
[9]一种球形移动机器人的运动分析与控制技术的研究[D]. 刘大亮.北京邮电大学 2009
硕士论文
[1]球形机器人嵌入式运动控制系统研究[D]. 王力.北京交通大学 2016
[2]非完整移动机器人的自适应滑模轨迹跟踪控制研究[D]. 吴青云.长安大学 2007
[3]基于LuGre模型的摩擦力矩补偿研究[D]. 王喜明.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所） 2007
本文编号：3543484
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