本文選題：單球機(jī)器人 + 動(dòng)力學(xué)模型��； 參考：《西南交通大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：單球機(jī)器人是一種本征不穩(wěn)定的動(dòng)平衡機(jī)器人,它與地面單點(diǎn)接觸,運(yùn)動(dòng)靈活,同時(shí)具有多變量、高度非線性、時(shí)變等特點(diǎn),近年來成為輪式機(jī)器人領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。相對于傳統(tǒng)輪式機(jī)器人而言,單球機(jī)器人轉(zhuǎn)彎半徑幾乎為零,可以在任何時(shí)候轉(zhuǎn)向任意方向,同時(shí)在機(jī)械結(jié)構(gòu)上的纖細(xì)苗條的特點(diǎn)使得該機(jī)器人能夠在狹窄的空間工作,因而具有廣泛的應(yīng)用前景。本文旨在研究單球機(jī)器人動(dòng)力學(xué)與控制模型,為最終實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的平穩(wěn)的自主移動(dòng)奠定基礎(chǔ)。通過對單球機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究,將該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分解到慣性坐標(biāo)系三個(gè)平面,并在這三個(gè)平面分別對機(jī)器人的動(dòng)能和勢能進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,再根據(jù)拉格朗日方程建立機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型。在平衡點(diǎn)附近對機(jī)器人的非線性數(shù)學(xué)模型進(jìn)行線性化,得出對應(yīng)的狀態(tài)方程,在此基礎(chǔ)上對系統(tǒng)進(jìn)行能控性和能觀性分析。對機(jī)器人的平衡控制的研究,本文提出LQR結(jié)合PID的控制算法模型,對機(jī)器人的XOZ和YOZ平面采用LQR最優(yōu)控制算法,而將PID控制算法應(yīng)用到機(jī)器人的XOY平面,在Matlab-Simulink軟件平臺(tái)上對機(jī)器人系統(tǒng)平面模型的狀態(tài)方程進(jìn)行控制算法效果研究。達(dá)到滿意的控制效果后,采用Matlab-Simulink軟件和Adams軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn),經(jīng)過反復(fù)多次的參數(shù)調(diào)整,結(jié)果顯示所設(shè)計(jì)的控制器對于高階非線性單球機(jī)器人系統(tǒng)的控制能夠達(dá)到理想的效果。
[Abstract]:Single-ball robot is a kind of inherently unstable dynamic balancing robot. It has the characteristics of single point contact with the ground, flexible motion, multivariable, highly nonlinear and time-varying, etc. In recent years, it has become a hotspot in the field of wheeled robot. Compared with the traditional wheeled robot, the single-ball robot has a turning radius of almost zero, and can turn in any direction at any time, while the slender and slender mechanical structure enables the robot to work in a narrow space. Therefore, it has a wide application prospect. The purpose of this paper is to study the dynamics and control model of a single ball robot, so as to lay a foundation for the ultimate smooth autonomous movement of the robot. By studying the motion law of a single ball robot, the motion of the robot is decomposed into three planes of inertial coordinate system, and the kinetic energy and potential energy of the robot are modeled in these three planes, respectively. Then the dynamic model of the robot is established according to Lagrange equation. The nonlinear mathematical model of the robot is linearized near the equilibrium point and the corresponding equation of state is obtained. On this basis, the controllability and observability of the system are analyzed. In this paper, LQR combined with PID's control algorithm model is proposed, and the LQR optimal control algorithm is applied to the XOZ and YOZ plane of the robot, and the PID control algorithm is applied to the XOY plane of the robot. The control algorithm of the state equation of the planar model of the robot system is studied on the platform of Matlab-Simulink software. After the satisfactory control effect is achieved, the Matlab-Simulink software and Adams software are used to carry out the joint simulation experiment, and the parameters are adjusted repeatedly and many times. The results show that the designed controller can achieve ideal results for the control of high-order nonlinear single-ball robot systems.
【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TP242

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本文編號(hào)：1944266