一种球形机器人的动力学分析和轨迹规划研究

摘要

球形机器人是一种具有球形外壳并以滚动运动为主要运动方式的新型智能机器人。由于球形机器人具有的外壳和运动形式的特殊性，使其与我们熟知的轮式或轨道式以及类人机器人相比较，具有能在失稳后获得最大的稳定性，可以实现全向滚动，能够更加灵活转弯等诸多优点。总的看来目前球形机器人的研究还处于实验研究阶段，出现了各种各样的具有不同驱动机构的球形机器人，但是很少有人对其进行深入的动力学分析和研究，所以球形机器人的运动性能分析和控制工作就不能深入地开展。为此，本论文对一种具有稳定平台的全向滚动球形机器人进行了动力学分析和轨迹规划方面的研究。 首先介绍了球形机器人的发展概况以及在目前球形机器人研究中遇到的主要问题和未来的发展趋势。然后介绍了一种具有稳定平台的全向滚动球形机器人装置，该球形机器人由装在球体内部、呈空间对称的四根轮辐上的四台步进电机驱动。根据该球形机器人的结构、运动学模型及其所采用的步进电机所具有的运动离散性的特点，通过寻找在球形机器人运动过程中每一步四个驱动电机合适的运动状态组合，提出了一种驱动球形机器人运动到目标点的轨迹规划方法。并通过ADAMS软件仿真验证了该轨迹规划方法的可行性。为了进一步研究球形机器人的运动性能和动态控制，对该球形机器人应用Lagrange-routh方程分别建立了其在平面上以及斜面上的完整动力学方程，给出了消去由系统受到的非完整约束所引入的Lagrange乘子的方法和步骤，并针对几种典型的运动情况对其进行了运动分析仿真，验证了该球形机器人动力学模型的正确性并对其进行了爬坡性能分析。在得到球形机器人的完整动力学模型之后，借助现代控制理论和神经网络的知识，构建了基于对角递归神经网络的PID球形机器人控制器。通过控制四台步进电机的输入，实现了球形机器人到达指定的目标点的控制目标。最后通过实例仿真验证了该方法的可行性。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1球形机器人简介

1.2球形机器人的发展概况及展望

1.3本文的工作

第二章球形机器人的结构及其运动学模型和轨迹规划方法

2.1引言

2.2球形机器人的结构

2.3球形机器人的运动学模型

2.4球形机器人的轨迹规划

2.5球形机器人轨迹规划运动实例仿真

2.6本章小结

第三章球形机器人动力学模型及运动性能分析

3.1引言

3.2完整系统的Lagrange方程

3.3非完整系统的Lagrange方程

3.3.1非完整系统力学运动微分方程的各种形式

3.3.2 Lagrange-routh方程

3.4球形机器人动力学方程的建立

3.4.1坐标系的建立

3.4.2广义力的求解

3.4.3系统动能的求解

3.4.4系统势能的求解

3.4.5球形机器人动力学方程组的建立

3.4.6球形机器人几种典型运动情况分析

3.5斜面上球形机器人的动力学模型及爬坡性能分析

3.5.1坐标系的建立

3.5.2斜面上球形机器人动力学模型的建立

3.5.3斜面上的球形机器人运动实例仿真及爬坡性能分析

3.6本章小结

第四章基于神经网络的球形机器人轨迹规划

4.1引言

4.2神经网络基础

4.2.1神经网络的基本概念

4.2.2多层前馈网络与BP算法

4.2.3反馈神经网络

4.3球形机器人的轨迹规划

4.3.1神经网络直接逆动态控制

4.3.2基于DRNN的球形机器人控制

4.4本章小结

结论

致谢

参考文献

研究成果