四轮机器人着地模型及控制方法研究

摘要

本课题构建了四轮可重构机器人移动平台,该机器人可以通过重构悬架使四轮保持着地,从而增加了机器人非机构环境下的稳定性,达到越障要求。本文主要针对该四轮可重构机器人着地模型及控制方法开展研究,在可重构悬架结构、运动学分析、稳定性评价方法、着地模型及控制、嵌入式控制系统设计等方面寻求实用有效的设计方法。
　　 通过对国内外已有非结构化地面机器人机械结构和平衡结构的研究,结合本课题需要,设计了机器人四轮半主动并联悬架结构,分析了此结构的特点和优势。
　　 作为一种多支链运动结构,该四轮机器人具有时变的运动拓扑结构,同时还是一种冗余驱动系统,因此需要建立一个简单有效的实时的机器人行走运动学模型。同时,制约机器人广泛应用的主要问题是其稳定性问题,为了准确的评定四轮机器人的稳定性和抗扰性,本课题试图寻求一种更具有一般性的稳定性评价方法建立干扰项、重心高度、支撑面姿态以及机器人质量等参数与稳定裕度的关系,为全面的评价机器人稳定性提供了依据。
　　 当路面有弹性变形或者机器人踏上障碍时,单纯的位置控制会导致躯体的绝对高度降低或者姿态改变。因此四轮机器人在前进过程中除了要满足重心的稳定性外,还要满足机体的平衡。本课题在提高机器人稳定性的基础上,结合轮力反馈控制,采用四轮着地模型简单实用的控制策略,实现机器人稳定性及平衡的统一。
　　 最后采用多处理器的主从控制架构,设计了相应的外围接口电路和接口程序。同时开展了基本重构姿态及非平坦路面的四轮着地实验,验证机器人设计及理论分析的正确性。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 非结构化地面移动机器人结构型式的发展概述

1.2.1 走形部的机械拓扑结构设计

1.2.2 走形部的拓扑结构设计的发展趋势

1.3 移动机器人平衡机构具体实现机构的发展概述

1.3.1 移动机器人平衡机构具体实现结构

1.3.2 移动机器人平衡机构发展趋势

1.4 主动适应式悬架机器人控制方法的发展概述

1.4.1 主动适应式悬架机器人的控制方法

1.4.2 主动适应式悬架机器人控制方法的发展趋势

1.5 移动机器人的控制系统发展概述

1.5.1 关于开放的控制器分类

1.5.2 移动机器人控制系统的发展趋势

1.6 研究目的与主要研究内容

1.6.1 研究的目的

1.6.2 本文的主要研究内容

第二章 四轮机器人结构设计

2.1 机器人悬架设计

2.1.1 设计需求

2.1.2 机器人悬架结构方案选择

2.2 主动适应式悬架结构

2.2.1 主动调节部分

2.3 本章小结

第三章 四轮机器人运动学研究与稳定性分析

3.1 四轮机器人运动学分析

3.1.1 拓扑结构分析

3.1.2 单链运动学分析

3.1.3 躯体并联运动学分析

3.2 四轮机器人稳定性评价方法

3.2.1 支撑面压力中心方程

3.2.2 稳定性分析与判定准则

3.3 本章小结

第四章 四轮机器人着地控制模型

4.1 四轮机器人力学模型

4.2 基于着地模型的躯体姿态保持

4.2.1 四轮着地模型

4.2.2 轮力补偿

4.3 四轮机器人轮力阻抗控制

4.3.1 阻抗控制原理

4.3.2 机器人轮阻抗控制

4.3.3 轮与地面接触等效模型

4.3.4 基于阻抗控制的力跟踪

4.4 本章小结

第五章 四轮机器人着地主从控制系统研究

5.1 嵌入式多关节伺服控制器的研究

5.1.1 控制系统设计要求

5.1.2 嵌入式控制系统总体设计

5.2 主从控制模块

5.2.1 单片机模块的资源分配

5.2.2 直线电机驱动器及加减速程序控制设计

5.2.3 SMBUS通信功能实现

5.2.4 主从控制模块的程序流程图

5.3 本章小节

第六章 四轮机器人着地实验研究

6.1 四轮机器人实验系统介绍

6.2 弹簧标定及实验验证

6.2.1 弹簧标定实验

6.2.2 车体悬架重构姿态实验

6.2.3 非平坦路面四轮着地实验

6.3 本章小节

总结和展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢