同轴双偏心质量驱动球形机器人系统建立及运动控制研究

摘要

球形机器人是一种以滚动方式行走的新型移动机器人，与传统的轮式、足式移动机器人相比，球形机器人具有运动灵活、自我保护能力强、环境适应能力强等特点，独特的机械结构和运动原理使其能够应用于多尘、潮湿、崎岖的复杂环境。球形机器人在军事、工业、生活等方面都具有广泛的应用前景，是目前智能机器人领域的研究热点之一。
　　在总结现有球形机器人构型的基础上，本文将球形机器人中应用最广泛的偏心质量驱动构型进行改进，提出一种同轴双偏心质量驱动球形机器人构型。在对同轴双偏心质量驱动球形机器人运动原理分析的基础上，对机器人进行了机械结构设计。针对所设计的球形机器人运动学特性，为了避免求解过程中出现奇点，采用卡尔丹角描述机器人的位置和姿态，对同轴双偏心质量驱动球形机器人进行运动学分析。利用平面几何关系得到了机器人运动过程中球壳倾角与轨迹半径之间的对应关系，通过球壳与地面之间的纯滚动约束条件建立了球心位置坐标的约束方程，通过位置变换矩阵建立了球壳及偏心质量在相对坐标系与惯性坐标系之间的速度映射关系，为进一步的动力学建模及控制系统研究奠定了基础。
　　本文将球形机器人的运动分为直线运动、原地转向运动和圆弧轨迹运动分别进行运动控制研究。为了使球形机器人直线运动能够平稳启停且速度可控，将直线运动模型简化为平面内单输入两自由度的欠驱动系统，利用拉格朗日方程建立了机器人直线运动的动力学模型，在此基础上提出了一种基于高斯函数的直线运动控制方法，通过仿真验证了控制方法的有效性。为了补偿外界扰动对机器人运动速度的影响，提出了一种基于参数调整的直线运动控制策略，在特殊的时间点根据机器人速度误差调整高斯函数，通过改变机器人的加速度实现了速度补偿。
　　针对球形机器人特有的原地转向运动，分析了同轴双偏心质量驱动球形机器人原地转向运动的运动原理，利用动量矩定理建立了原地转向运动的动力学模型，在此基础上提出一种基于粘滑原理的原地转向运动控制方法，通过余弦控制函数对两个偏心质量进行运动规划，利用偏心质量运动产生的惯性力矩实现原地转向运动。分析了余弦控制函数中各参数值对机器人运动的影响，并通过仿真验证了原地转向运动控制方法的有效性。
　　为了使球形机器人圆弧轨迹运动速度与轨迹半径均可控，研究了同轴双偏心质量驱动球形机器人圆弧轨迹运动原理，利用动量矩定理建立了圆弧轨迹运动动力学模型，提出一种基于单摆运动与随动控制相结合的控制策略，机器人圆弧轨迹运动分解为前向滚动与侧向滚动分别进行控制，采用正弦控制函数对偏心质量进行运动规划产生适当的惯性力，通过控制球壳相对于地面的倾角控制轨迹半径；采用位置随动控制实现机器人前向滚动速度控制。设计了圆弧轨迹运动控制器，并通过仿真验证了该控制策略的有效性。
　　最后搭建了同轴双偏心质量驱动球形机器人样机实验系统，介绍了球形机器人硬件及软件系统构成，对球形机器人样机进行了直线运动实验研究，实验结果表明球形机器人能够在高斯控制函数作用下做速度可控的直线运动，基于参数调整的控制策略能够补偿外界干扰对机器人速度的影响；开展了同轴双偏心质量驱动球形机器人原地转向运动实验研究，实验结果表明机器人能够在余弦控制作用下做原地转向运动；在室内和室外相对平坦的地面进行了圆弧轨迹运动实验研究，实验结果表明机器人速度和转弯半径均可控，验证了圆弧轨迹运动控制策略的有效性。

目录

同轴双偏心质量驱动球形机器人系统建立及运动控制研究

RESEARCH ON SYSTEM ESTABLISHMENT AND MOTION CONTROL OF A TWO COAXIAL PENDULUMS DRIVEN SPHERICAL ROBOT

摘 要

ABSTRACT

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 课题背景及意义

1.3 球形机器人的仿生学原理

1.4 球形机器人研究现状

1.4.1 转动体式

1.4.2 车驱动式

1.4.3 移动质量式

1.4.4 形变式

1.4.5 陀螺式

1.4.6 偏心质量式

1.4.7 双半球式

1.4.8 风力驱动式

1.5 球形机器人运动控制研究现状

1.6 球形机器人研究领域存在的问题

1.7 本文的研究内容

第2章 球形机器人机构设计及运动学分析

2.1 引言

2.2 现有球形机器人构型分析

2.3 同轴双偏心质量驱动球形机器人构型设计

2.4 同轴双偏心质量驱动球形机器人运动原理分析

2.5 同轴双偏心质量驱动球形机器人机械结构设计

2.6 同轴双偏心质量驱动球形机器人运动学模型研究

2.6.1 姿态角的选择

2.6.2 椭球形外壳的运动学模型研究

2.6.3 偏心质量的运动学研究

2.7 同轴双偏心质量驱动球形机器人一般动力学模型分析

2.8 本章小结

第3章 球形机器人直线运动控制研究

3.1 引言

3.2 直线运动动力学模型研究

3.2.1 直线运动动力学系统建模

3.2.2 直线运动系统定点研究

3.3 基于高斯函数的直线运动控制方法

3.3.1 基于高斯函数的摆角位置规划

3.3.2 高斯控制函数仿真研究

3.3.3 摆角控制函数各参数对系统的影响

3.3.4 摆角控制函数参数选择

3.4 直线运动控制仿真研究

3.4.1 基于高斯函数的直线运动控制仿真

3.4.2 基于参数调整的直线运动控制策略

3.4.3 直线运动控制仿真研究

3.5 本章小结

第4章 球形机器人转向运动控制研究

4.1 引言

4.2 基于粘滑原理的原地转向运动控制研究

4.2.1 原地转向运动原理分析

4.2.2 原地转向运动动力学模型研究

4.2.3 基于粘滑原理的原地转向运动控制方法

4.2.4 基于余弦函数的摆角规划

4.2.5 原地转向运动仿真研究

4.3 圆弧轨迹运动控制研究

4.3.1 圆弧轨迹运动原理分析

4.3.2 圆弧轨迹运动动力学研究

4.3.3 基于正弦函数的圆弧轨迹运动控制方法研究

4.3.4 圆弧轨迹运动控制仿真研究

4.4 本章小结

第5章 球形机器人实验研究

5.1 引言

5.2 同轴双偏心质量驱动球形机器人实验系统

5.3 同轴双偏心质量驱动球形机器人控制系统设计

5.3.1 控制系统硬件设计

5.3.2 控制系统软件设计

5.4 直线运动实验研究

5.5 原地转向运动实验研究

5.6 圆弧轨迹运动实验研究

5.7 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历