非完整轮式机械臂的动力学模拟及控制问题研究
发布时间：2021-12-27 20:15
随着科学技术的进步和社会的发展,机器人技术作为一门多学科融合的技术,在各个领域得到广泛使用。机器人的技术与发展,影响着社会与生活,机械手臂操作精确,而轮式机器人则反应迅速、运动速度快。对将轮式机器人与机械手臂结合的非完整轮式机械臂系统进行研究对于人类生活与社会发展具有重要的意义。如何实现最完美的人机结合,实现对于机器人的设计与控制,使机器人能更方便的为人类所利用,完成更多高精度、高要求的工作,更好的适应目前发展的要求,成为本文的研究重点。本文以非完整轮式机械臂为主要研究对象,寻找最优的动力学分析方法与最优的机械臂轨迹控制方法,主要研究结果如下:（1）运用传统的Routh方程对非完整轮式机械臂系统进行动力学建模,通过Matlab模拟仿真,分析出运用Routh方程在对非完整轮式机械臂模拟时存在不足,约束方程出现违约现象。（2）采用基于高斯最小拘束原理的准坐标方法对非完整轮式机械臂系统进行动力学建模与分析,运用Matlab进行仿真模拟,并与运用Routh方程的模拟仿真结果对比,两种方法都可以模拟出模型的运动,准坐标方法没有出现违约,而运用Routh方程约束方程存在误差,随着仿真时间增加,基于...
【文章来源】：青岛理工大学山东省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
1机遇号火星车国内在轮式移动机械臂研究方面起步较晚，虽然发展的时间短一些，但是在
青岛理工大学工学硕士学位论文14图2.2.1二轮小车车体模型两轮小车受到地面的约束，A的坐标,，车轮与地面的夹角即车体旋转角为，左右两侧轮子旋转角度，，假设轮子不会与地面发生滑动，小车质量为。为描述移动机器人车轮于地面间的运动性质，将系统的广义坐标选取如下：φφ(2.2.5)系统车体A的质心坐标为：A=(2.2.6)由于受到的约束本质是对其速度进行限制，对于速度的约束，在假设车轮只有滚动没有滑动的前提下，此时车体的非完整约束条件为：0(2.2.7)车轮与地面之间的运动无滑动为纯滚动运动，在任何时候车轮与车体运动都保持一致的方向，具有相同的非完整性约束条件。假设机器人在任意时刻都不产生横向侧滑，而是保持前后运动或者转动。现在假设轮子为刚体，在无滑动的纯滚动的条件下，我们可以列出以下非完整运动学约束方程：000(2.2.8)定义广义坐标向量,,,,,由上式可以得到具有不可积分性质的Pfaff约束矩阵：00000(2.2.9)
青岛理工大学工学硕士学位论文16对移动机器人左右两轮的施加不同得驱动力控制输入，车体系统可以运动到设定的任意位置，到达任何想设定的运动状态。通过上述分析为后面章节提供了模型支撑，为后续的分析提供了理论基础，可以更好的了解车体系统。当初始条件时，式中的前两个方程不可积分，因而对于车轮旋转定位状态分析时，可以将其在路面上的滚动描述为非完整约束系统。假如有一半径为在一直线上做无滑动纯滚动的滚轮，滚轮位形可以通过滚轮中心A坐标,以及转角来确定，滚轮与直线接触点B为速度瞬心。图2.2.2纯滚动的滚轮模型对滚轮进行分析，设该系统的广义坐标为：(2.2.21)质心高度=,车体受到的运动约束方程为：·=10==0(2.2.22)上式中一个代表几何约束一个代表速度约束，但是速度约束可以通过积分表示：=C（C为积分常数）(2.2.23)由此可知约束可以积分，代表着车轮系统的运动约束形式是完整约束。这种系统就是完整系统。2.3本章小结本章主要从约束、状态变量，广义坐标以及自由度概念入手，介绍非完整系统动力学的基本构成，并对非完整约束的条件，非完整约束的特征，非完整约束
【参考文献】：
期刊论文
[1]关于分析力学的基础与展望[J]. 郭永新,刘世兴. 动力学与控制学报. 2019(05)
[2]杆网系统基于高斯原理的动力学建模[J]. 刘延柱. 动力学与控制学报. 2018(04)
[3]动力学普遍定理对非完整动力学的应用——分析力学札记之二十九[J]. 梅凤翔. 力学与实践. 2017(03)
[4]基于李雅普诺夫指数的非完整约束系统稳定性[J]. 刘云平,李渝,陈城,张永宏. 华中科技大学学报(自然科学版). 2016(12)
[5]基于广义坐标形式的高斯最小拘束原理的多刚体系统动力学建模[J]. 姚文莉. 北京大学学报(自然科学版). 2016(04)
[6]分析动力学中的基本方程与非完整约束[J]. 刘才山. 北京大学学报(自然科学版). 2016(04)
[7]Cosserat生长弹性杆动力学的Gauss最小拘束原理[J]. 薛纭,曲佳乐,陈立群. 应用数学和力学. 2015(07)
[8]基于高斯原理的Cosserat弹性杆动力学模型[J]. 刘延柱,薛纭. 物理学报. 2015(04)
[9]广义坐标形式的高斯最小拘束原理及其推广[J]. 姚文莉,戴葆青. 力学与实践. 2014(06)
[10]含单边非完整约束飞机滑跑的建模与仿真方法[J]. 徐梓尧,王琪. 北京航空航天大学学报. 2015(05)
博士论文
[1]基于视觉伺服的非完整轮式移动机器人控制研究[D]. 陆群.浙江工业大学 2018
[2]时间尺度上非完整系统动力学及其积分理论研究[D]. 金世欣.南京理工大学 2018
[3]非完整轮式移动机器人的运动控制[D]. 马海涛.中国科学技术大学 2009
[4]轮式移动机器人的运动控制[D]. 祝晓才.国防科学技术大学 2006
硕士论文
[1]主动悬架移动机械臂的动力学及其控制策略研究[D]. 谢知航.湖南工业大学 2019
[2]基于ROS的轮式移动机械臂轨迹规划研究[D]. 郭建根.安徽工程大学 2019
[3]基于事件触发的非完整轮式移动机器人的轨迹跟踪控制[D]. 谢忱.哈尔滨工业大学 2019
[4]欠驱动多关节机械臂的运动奇异性与控制[D]. 钱冠杰.武汉理工大学 2018
[5]移动机械臂的运动控制与轨迹规划算法研究[D]. 郑秀娟.武汉科技大学 2012
[6]带有机械臂的两轮可重构移动机器人的设计与研究[D]. 黎雄.哈尔滨工业大学 2008
[7]关于非完整动力学的几个基本问题[D]. 金波.湖南大学 2003
本文编号：3552659
【文章来源】：青岛理工大学山东省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
1机遇号火星车国内在轮式移动机械臂研究方面起步较晚，虽然发展的时间短一些，但是在
青岛理工大学工学硕士学位论文14图2.2.1二轮小车车体模型两轮小车受到地面的约束，A的坐标,，车轮与地面的夹角即车体旋转角为，左右两侧轮子旋转角度，，假设轮子不会与地面发生滑动，小车质量为。为描述移动机器人车轮于地面间的运动性质，将系统的广义坐标选取如下：φφ(2.2.5)系统车体A的质心坐标为：A=(2.2.6)由于受到的约束本质是对其速度进行限制，对于速度的约束，在假设车轮只有滚动没有滑动的前提下，此时车体的非完整约束条件为：0(2.2.7)车轮与地面之间的运动无滑动为纯滚动运动，在任何时候车轮与车体运动都保持一致的方向，具有相同的非完整性约束条件。假设机器人在任意时刻都不产生横向侧滑，而是保持前后运动或者转动。现在假设轮子为刚体，在无滑动的纯滚动的条件下，我们可以列出以下非完整运动学约束方程：000(2.2.8)定义广义坐标向量,,,,,由上式可以得到具有不可积分性质的Pfaff约束矩阵：00000(2.2.9)
青岛理工大学工学硕士学位论文16对移动机器人左右两轮的施加不同得驱动力控制输入，车体系统可以运动到设定的任意位置，到达任何想设定的运动状态。通过上述分析为后面章节提供了模型支撑，为后续的分析提供了理论基础，可以更好的了解车体系统。当初始条件时，式中的前两个方程不可积分，因而对于车轮旋转定位状态分析时，可以将其在路面上的滚动描述为非完整约束系统。假如有一半径为在一直线上做无滑动纯滚动的滚轮，滚轮位形可以通过滚轮中心A坐标,以及转角来确定，滚轮与直线接触点B为速度瞬心。图2.2.2纯滚动的滚轮模型对滚轮进行分析，设该系统的广义坐标为：(2.2.21)质心高度=,车体受到的运动约束方程为：·=10==0(2.2.22)上式中一个代表几何约束一个代表速度约束，但是速度约束可以通过积分表示：=C（C为积分常数）(2.2.23)由此可知约束可以积分，代表着车轮系统的运动约束形式是完整约束。这种系统就是完整系统。2.3本章小结本章主要从约束、状态变量，广义坐标以及自由度概念入手，介绍非完整系统动力学的基本构成，并对非完整约束的条件，非完整约束的特征，非完整约束
【参考文献】：
期刊论文
[1]关于分析力学的基础与展望[J]. 郭永新,刘世兴. 动力学与控制学报. 2019(05)
[2]杆网系统基于高斯原理的动力学建模[J]. 刘延柱. 动力学与控制学报. 2018(04)
[3]动力学普遍定理对非完整动力学的应用——分析力学札记之二十九[J]. 梅凤翔. 力学与实践. 2017(03)
[4]基于李雅普诺夫指数的非完整约束系统稳定性[J]. 刘云平,李渝,陈城,张永宏. 华中科技大学学报(自然科学版). 2016(12)
[5]基于广义坐标形式的高斯最小拘束原理的多刚体系统动力学建模[J]. 姚文莉. 北京大学学报(自然科学版). 2016(04)
[6]分析动力学中的基本方程与非完整约束[J]. 刘才山. 北京大学学报(自然科学版). 2016(04)
[7]Cosserat生长弹性杆动力学的Gauss最小拘束原理[J]. 薛纭,曲佳乐,陈立群. 应用数学和力学. 2015(07)
[8]基于高斯原理的Cosserat弹性杆动力学模型[J]. 刘延柱,薛纭. 物理学报. 2015(04)
[9]广义坐标形式的高斯最小拘束原理及其推广[J]. 姚文莉,戴葆青. 力学与实践. 2014(06)
[10]含单边非完整约束飞机滑跑的建模与仿真方法[J]. 徐梓尧,王琪. 北京航空航天大学学报. 2015(05)
博士论文
[1]基于视觉伺服的非完整轮式移动机器人控制研究[D]. 陆群.浙江工业大学 2018
[2]时间尺度上非完整系统动力学及其积分理论研究[D]. 金世欣.南京理工大学 2018
[3]非完整轮式移动机器人的运动控制[D]. 马海涛.中国科学技术大学 2009
[4]轮式移动机器人的运动控制[D]. 祝晓才.国防科学技术大学 2006
硕士论文
[1]主动悬架移动机械臂的动力学及其控制策略研究[D]. 谢知航.湖南工业大学 2019
[2]基于ROS的轮式移动机械臂轨迹规划研究[D]. 郭建根.安徽工程大学 2019
[3]基于事件触发的非完整轮式移动机器人的轨迹跟踪控制[D]. 谢忱.哈尔滨工业大学 2019
[4]欠驱动多关节机械臂的运动奇异性与控制[D]. 钱冠杰.武汉理工大学 2018
[5]移动机械臂的运动控制与轨迹规划算法研究[D]. 郑秀娟.武汉科技大学 2012
[6]带有机械臂的两轮可重构移动机器人的设计与研究[D]. 黎雄.哈尔滨工业大学 2008
[7]关于非完整动力学的几个基本问题[D]. 金波.湖南大学 2003
本文编号：3552659
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