球形轮机器人的3D建模与控制

发布时间：2017-09-09 04:25

  本文关键词：球形轮机器人的3D建模与控制

  更多相关文章： 球形轮机器人 球形轮测速机构 分析力学原理 3D动力学模型 模糊控制

【摘要】：球形轮机器人以单点触地、灵活机动的特点成为了机器人研究领域的热点研究课题。然而球形轮机器人动态稳定的特点在带来灵活性和瘦巧性的同时也带来了极度的静态不稳定性。而且,动态稳定机器人在复杂环境中的稳定运行将对机器人的驱动性能和控制性能提出更高的要求。为解决球形轮机器人静态不稳定的问题,并提高机器人对环境的适应能力,本文改进了现有球形轮机器人的机械和电路结构,建立了球形轮机器人的动力学模型,构造了适应复杂路面的综合运动控制器,并通过仿真和实验的方法验证了模型和运动控制器的准确性和有效性。本文的研究成果主要包括:(1)设计并制作环形支撑支脚,推算机器人的驱动需求,提高机器人的供电能力,提出并设计新的球形轮测速机构。(2)以改进的球形轮机器人平台为基础,利用牛顿力学原理,分析机器人的约束条件和受力情况;利用质点系动能公式和坐标变化原理,推导多刚体机器人的动能表达式;基于分析力学原理,依次建立机器人在水平路面和斜坡路面上的2D和3D动力学模型。(3)通过分析机器人在平衡位置附近的运动状态,构造基于2D动力学模型的姿态速度双闭环控制结构;通过坐标变换的方法,将3D空间中机器人的运动变换到2D平面,然后将2D模型的控制方法拓展到3D模型中;针对机器人站立和爬坡两种特殊的运动,设计模糊控制器进行控制。仿真和实验结果表明,本文建立的3D模型能较好地近似机器人的动力学特性;无动力或者动力不足的状态下,本文设计的机器人可以在水平面上向任意方位倾斜停靠;在动力充足的情况下,该机器人可以从静止停靠状态自动站立并保持稳定,并在水平面上向任意方位行进,当遇到斜坡时,机器人可以自主冲坡并爬越坡面。
【关键词】：球形轮机器人 球形轮测速机构 分析力学原理 3D动力学模型 模糊控制
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-22
• 1.1 研究背景和意义11
• 1.2 倒立摆机器人的研究现状及发展趋势11-20
• 1.2.1 倒立摆机器人12-14
• 1.2.2 倒立摆机器人的分析方法14-17
• 1.2.3 倒立摆机器人的运动控制17-20
• 1.2.4 球形轮机器人的研究趋势20
• 1.3 本文的主要工作和内容安排20-22
• 第2章 球形轮机器人的设计和改进22-32
• 2.1 球形轮机器人的组成22-25
• 2.1.1 球形轮机器人的机械结构23
• 2.1.2 球形轮机器人机械参数的测量23-25
• 2.2 球形轮机器人的驱动机构25-27
• 2.2.1 驱动机构的特性25
• 2.2.2 驱动机构的性能需求25-27
• 2.3 球形轮机器人的测速机构27-31
• 2.3.1 利用驱动机构测速的缺陷27
• 2.3.2 测速机构的设计27-28
• 2.3.3 测速机构的特性分析28-31
• 2.4 本章小节31-32
• 第3章 球形轮机器人的 3D建模32-66
• 3.1 分析力学的基本原理32-36
• 3.1.1 拉格朗日第二类方程32-33
• 3.1.2 拉格朗日第一类方程33-34
• 3.1.3 Routh方程34-35
• 3.1.4 质点系的动能公式35-36
• 3.2 基于分析力学的二维动力学模型36-52
• 3.2.1 水平面上的二维动力学模型36-48
• 3.2.2 斜坡上的二维动力学模型48-51
• 3.2.3 水平面和斜坡上的二维动力学模型的统一51-52
• 3.3 基于分析力学的三维动力学模型52-65
• 3.3.1 坐标系的定义52-53
• 3.3.2 三维动力学模型的假设53
• 3.3.3 三维动力学模型的推导53-62
• 3.3.4 斜坡上的三维动力学模型62-65
• 3.4 本章小结65-66
• 第4章 球形轮机器人的仿真和控制66-83
• 4.1 2D控制器设计66-70
• 4.1.1 模型线性化66
• 4.1.2 PID控制器66-70
• 4.3 基于平面控制器的 3D控制器设计70-75
• 4.3.1 起摆控制器的设计70-73
• 4.3.2 行走控制器73
• 4.3.3 爬坡控制器73-75
• 4.4 3D模型的仿真和实验75-82
• 4.4.1 模型的数值计算75-76
• 4.4.2 运动仿真76-79
• 4.4.3 实验79-82
• 4.5 本章小节82-83
• 结论83-85
• 参考文献85-89
• 附录89-94
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单94-95
• 致谢95

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本文编号：818283