本文關鍵詞：球形輪機器人的3D建模與控制

  更多相關文章： 球形輪機器人 球形輪測速機構 分析力學原理 3D動力學模型 模糊控制

【摘要】：球形輪機器人以單點觸地、靈活機動的特點成為了機器人研究領域的熱點研究課題。然而球形輪機器人動態(tài)穩(wěn)定的特點在帶來靈活性和瘦巧性的同時也帶來了極度的靜態(tài)不穩(wěn)定性。而且,動態(tài)穩(wěn)定機器人在復雜環(huán)境中的穩(wěn)定運行將對機器人的驅動性能和控制性能提出更高的要求。為解決球形輪機器人靜態(tài)不穩(wěn)定的問題,并提高機器人對環(huán)境的適應能力,本文改進了現(xiàn)有球形輪機器人的機械和電路結構,建立了球形輪機器人的動力學模型,構造了適應復雜路面的綜合運動控制器,并通過仿真和實驗的方法驗證了模型和運動控制器的準確性和有效性。本文的研究成果主要包括:(1)設計并制作環(huán)形支撐支腳,推算機器人的驅動需求,提高機器人的供電能力,提出并設計新的球形輪測速機構。(2)以改進的球形輪機器人平臺為基礎,利用牛頓力學原理,分析機器人的約束條件和受力情況;利用質點系動能公式和坐標變化原理,推導多剛體機器人的動能表達式;基于分析力學原理,依次建立機器人在水平路面和斜坡路面上的2D和3D動力學模型。(3)通過分析機器人在平衡位置附近的運動狀態(tài),構造基于2D動力學模型的姿態(tài)速度雙閉環(huán)控制結構;通過坐標變換的方法,將3D空間中機器人的運動變換到2D平面,然后將2D模型的控制方法拓展到3D模型中;針對機器人站立和爬坡兩種特殊的運動,設計模糊控制器進行控制。仿真和實驗結果表明,本文建立的3D模型能較好地近似機器人的動力學特性;無動力或者動力不足的狀態(tài)下,本文設計的機器人可以在水平面上向任意方位傾斜停靠;在動力充足的情況下,該機器人可以從靜止�？繝顟B(tài)自動站立并保持穩(wěn)定,并在水平面上向任意方位行進,當遇到斜坡時,機器人可以自主沖坡并爬越坡面。
【關鍵詞】：球形輪機器人 球形輪測速機構 分析力學原理 3D動力學模型 模糊控制
【學位授予單位】：北京理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP242
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 緒論11-22
• 1.1 研究背景和意義11
• 1.2 倒立擺機器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢11-20
• 1.2.1 倒立擺機器人12-14
• 1.2.2 倒立擺機器人的分析方法14-17
• 1.2.3 倒立擺機器人的運動控制17-20
• 1.2.4 球形輪機器人的研究趨勢20
• 1.3 本文的主要工作和內(nèi)容安排20-22
• 第2章 球形輪機器人的設計和改進22-32
• 2.1 球形輪機器人的組成22-25
• 2.1.1 球形輪機器人的機械結構23
• 2.1.2 球形輪機器人機械參數(shù)的測量23-25
• 2.2 球形輪機器人的驅動機構25-27
• 2.2.1 驅動機構的特性25
• 2.2.2 驅動機構的性能需求25-27
• 2.3 球形輪機器人的測速機構27-31
• 2.3.1 利用驅動機構測速的缺陷27
• 2.3.2 測速機構的設計27-28
• 2.3.3 測速機構的特性分析28-31
• 2.4 本章小節(jié)31-32
• 第3章 球形輪機器人的 3D建模32-66
• 3.1 分析力學的基本原理32-36
• 3.1.1 拉格朗日第二類方程32-33
• 3.1.2 拉格朗日第一類方程33-34
• 3.1.3 Routh方程34-35
• 3.1.4 質點系的動能公式35-36
• 3.2 基于分析力學的二維動力學模型36-52
• 3.2.1 水平面上的二維動力學模型36-48
• 3.2.2 斜坡上的二維動力學模型48-51
• 3.2.3 水平面和斜坡上的二維動力學模型的統(tǒng)一51-52
• 3.3 基于分析力學的三維動力學模型52-65
• 3.3.1 坐標系的定義52-53
• 3.3.2 三維動力學模型的假設53
• 3.3.3 三維動力學模型的推導53-62
• 3.3.4 斜坡上的三維動力學模型62-65
• 3.4 本章小結65-66
• 第4章 球形輪機器人的仿真和控制66-83
• 4.1 2D控制器設計66-70
• 4.1.1 模型線性化66
• 4.1.2 PID控制器66-70
• 4.3 基于平面控制器的 3D控制器設計70-75
• 4.3.1 起擺控制器的設計70-73
• 4.3.2 行走控制器73
• 4.3.3 爬坡控制器73-75
• 4.4 3D模型的仿真和實驗75-82
• 4.4.1 模型的數(shù)值計算75-76
• 4.4.2 運動仿真76-79
• 4.4.3 實驗79-82
• 4.5 本章小節(jié)82-83
• 結論83-85
• 參考文獻85-89
• 附錄89-94
• 攻讀學位期間發(fā)表論文與研究成果清單94-95
• 致謝95

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本文編號：818283