本文關(guān)鍵詞：多自由度兩輪自平衡機器人技術(shù)研究

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【摘要】：兩輪自平衡機器人是一種近些年發(fā)展起來的新式移動機器人，具有重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、靈活機動、零轉(zhuǎn)彎半徑等優(yōu)點，非常適合在狹小和擁擠的環(huán)境中使用，同時它可以作為一種便捷的運輸和載人工具，有著廣泛的應(yīng)用前景。此外，兩輪機器人是一種復(fù)雜的欠驅(qū)動非線性系統(tǒng)，深入開展兩輪機器人的多種控制方法的研究，還可以為某些航空器或航天器、精密儀器和機器人等領(lǐng)域的非線性系統(tǒng)的控制提供技術(shù)方法指導(dǎo)，具有重要的學術(shù)價值。 當將傳統(tǒng)兩輪機器人作為代步工具時，使用者是站立駕駛的，長時間的騎行容易使駕駛者產(chǎn)生疲勞。另一方面，在加減速和上下坡時，傳統(tǒng)兩輪機器人本體無法保持始終直立，這將導(dǎo)致乘坐者感覺不舒適和不安全。當使用該平臺運輸液體或其他要求始終保持直立的精密設(shè)備時，還容易造成事故。此外，當機器人進行高速轉(zhuǎn)向時，由于離心力的作用，機器人將面臨傾覆的危險。針對傳統(tǒng)兩輪機器人的這些不足，本文提出了一種多自由度兩輪機器人系統(tǒng)，圍繞提高兩輪自平衡機器人的穩(wěn)定性、機動性和安全性來開展研究。本文的主要研究內(nèi)容和取得的成果如下： 1）針對主動配置重心位置的要求，研制了一種多自由度兩輪機器人，并詳細給出了機器人的機械以及控制系統(tǒng)的構(gòu)建方法和實現(xiàn)途徑。所研制的機器人具有重心前后平移和左右擺動自由度，通過動態(tài)調(diào)整機器人重心的位置，有效地改善了傳統(tǒng)兩輪機器人的性能。 2）針對準確測量機器人姿態(tài)的要求，開展了機器人傳感器的信號處理和融合方法的研究。在詳細分析了傳感器安裝位置和測量方法對測量結(jié)果的影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出了一種針對測量結(jié)果進行補償?shù)姆椒�，并采用卡爾曼濾波方法對多傳感器信息進行了有效融合，從而以低代價手段實現(xiàn)了準確的姿態(tài)測量。 3）對多自由度兩輪機器人的運動規(guī)律展開了深入研究，建立了機器人的運動學和動力學模型，其中，動力學模型解耦為直行動力學和轉(zhuǎn)向動力學。在適當條件下對直行動力學進行處理，，使機器人復(fù)雜的動力學得到了簡化，極大地方便了機器人控制器的設(shè)計。此外，在所獲得的機器人動力學模型的基礎(chǔ)上，對機器人的動力學特性進行了研究，得到了機器人運動穩(wěn)態(tài)的規(guī)律。 4）對機器人傳動機構(gòu)的摩擦模型參數(shù)辨識問題展開了研究，建立了準確的傳動機構(gòu)的摩擦模型，并基于滑�？刂品椒�，設(shè)計了帶有摩擦補償?shù)聂敯羝胶饪刂破�。然后，提出了機器人的直行和轉(zhuǎn)向控制策略：利用降階后的直行動力學模型，給出了機器人直行控制策略，即在機器人平衡控制的基礎(chǔ)上，通過動態(tài)控制滑塊來控制機器人行進；轉(zhuǎn)向控制方面，設(shè)計了機器人的轉(zhuǎn)向控制器，并通過對搖擺角度的控制，實現(xiàn)了對機器人轉(zhuǎn)向的防傾覆控制，提高了機器人轉(zhuǎn)向時的穩(wěn)定性。采用ADAMS與MATLAB的動力仿真實驗，驗證了控制方法的有效性。 5）對多自由兩輪機器人平臺進行了物理實驗研究。包括平衡控制實驗、平地行走實驗、坡面行走實驗和轉(zhuǎn)向行走實驗，實驗結(jié)果全面驗證了機器人的平衡性能、移動行走性能、爬坡性能、機動性能，以及附加自由度對機器人性能的改善效果，同時也證明了動力學模型以及控制方法的有效性。
【關(guān)鍵詞】：兩輪自平衡機器人 多自由度 摩擦補償 姿態(tài)測量 動力學控制
【學位授予單位】：北京理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TP242
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 目錄9-13
• 圖表目錄13-18
• 第1章 緒論18-43
• 1.1 兩輪自平衡機器人概述18-19
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀19-37
• 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀19-33
• 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀33-37
• 1.3 兩輪自平衡機器人研究現(xiàn)狀分析37-40
• 1.4 課題研究意義40-41
• 1.5 本文主要研究內(nèi)容41-43
• 第2章 機器人的系統(tǒng)構(gòu)建及姿態(tài)測量方法43-68
• 2.1 機器人的機械系統(tǒng)43-47
• 2.1.1 搖擺自由度機構(gòu)44-46
• 2.1.2 平移自由度機構(gòu)46-47
• 2.2 機器人的控制系統(tǒng)47-54
• 2.2.1 機器人的傳感系統(tǒng)48-49
• 2.2.2 電機驅(qū)動系統(tǒng)49-51
• 2.2.3 機器人控制系統(tǒng)的軟件體系51-54
• 2.3 基于加速度計和陀螺儀的姿態(tài)測量方法54-60
• 2.3.1 利用加速度計測量機器人的傾角56-58
• 2.3.2 利用陀螺儀測量機器人的傾角58-59
• 2.3.3 傳感器安裝位置對測量的影響及補償59-60
• 2.4 基于卡爾曼濾波的多傳感器信息融合技術(shù)60-67
• 2.4.1 傳感器信號的預(yù)處理60-62
• 2.4.2 卡爾曼濾波器原理62-65
• 2.4.3 兩輪自平衡機器人的卡爾曼濾波器設(shè)計65-67
• 2.5 小結(jié)67-68
• 第3章 機器人的運動學與動力學研究68-89
• 3.1 建模假設(shè)條件及參數(shù)說明68-70
• 3.2 機器人的運動學70-72
• 3.3 多自由度兩輪機器人的動力學72-82
• 3.3.1 多體動力學建模方法72-73
• 3.3.2 多自由度兩輪機器人的直行動力學73-80
• 3.3.3 多自由度兩輪機器人的轉(zhuǎn)向動力學80-82
• 3.4 動力學特性分析82-87
• 3.4.1 運動穩(wěn)態(tài)分析——受力分析角度82-84
• 3.4.2 運動穩(wěn)態(tài)分析——微分方程角度84-86
• 3.4.3 線性化及系統(tǒng)狀態(tài)空間能控性分析86-87
• 3.5 小結(jié)87-89
• 第4章 帶摩擦補償?shù)臋C器人滑模平衡控制研究89-111
• 4.1 摩擦模型概述89-94
• 4.1.1 靜態(tài)摩擦模型90-92
• 4.1.2 動態(tài)摩擦模型92-94
• 4.2 兩輪機器人若干參數(shù)的辨識94-101
• 4.2.1 基于庫侖—黏性摩擦模型的參數(shù)辨識95-97
• 4.2.2 基于 Stribeck 摩擦模型的參數(shù)辨識97-99
• 4.2.3 車輪轉(zhuǎn)動慣量的辨識99-101
• 4.3 機器人的平衡控制器設(shè)計101-104
• 4.3.1 滑模變結(jié)構(gòu)控制概述101-102
• 4.3.2 兩輪機器人的滑�？刂破髟O(shè)計102-104
• 4.4 機器人的平衡控制仿真104-110
• 4.4.1 ADAMS 與 MATLAB 聯(lián)合仿真環(huán)境的構(gòu)建104-107
• 4.4.2 動力學仿真107-110
• 4.5 小結(jié)110-111
• 第5章 機器人的行走及轉(zhuǎn)向控制研究111-147
• 5.1 平移自由度伺服控制111-115
• 5.2 多自由度兩輪機器人的直行控制方法115-133
• 5.2.1 直行控制策略115-117
• 5.2.2 基于模糊邏輯的多自由兩輪機器人速度控制方法117-122
• 5.2.3 多自由度兩輪機器人直行控制仿真122-133
• 5.3 多自由度兩輪機器人轉(zhuǎn)向控制方法133-136
• 5.3.1 滑模轉(zhuǎn)向控制器設(shè)計133-134
• 5.3.2 轉(zhuǎn)向控制仿真134-136
• 5.4 多自由度兩輪機器人的轉(zhuǎn)向防傾覆控制136-145
• 5.4.1 力學分析136-139
• 5.4.2 搖擺自由度對轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性的改善分析139-142
• 5.4.3 防傾覆控制及仿真142-145
• 5.5 小結(jié)145-147
• 第6章 多自由度兩輪機器人的實驗研究147-165
• 6.1 機器人實驗系統(tǒng)147-148
• 6.2 機器人平衡實驗148-153
• 6.2.1 帶初始角度的平衡實驗148-151
• 6.2.2 摩擦補償平衡實驗151-152
• 6.2.3 沖擊下的平衡實驗152-153
• 6.3 機器人平地行走實驗153-158
• 6.3.1 行走控制策略一153-154
• 6.3.2 行走控制策略二154-156
• 6.3.3 行走控制策略三156-158
• 6.4 機器人坡面行走實驗158-161
• 6.5 機器人轉(zhuǎn)向行走實驗161-163
• 6.6 小結(jié)163-165
• 結(jié)論165-168
• 參考文獻168-181
• 攻讀學位期間發(fā)表論文與研究成果清單181-184
• 學術(shù)論文181-182
• 發(fā)明專利182
• 參加科研項目182-184
• 致謝184-185
• 作者簡介185

【參考文獻】

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本文編號：564996