收藏本站
《哈尔滨工业大学》 2008年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

双驱动球形机器人及其运动控制的研究

岳明  
【摘要】: 球形机器人是一种以球形或近似球形为其外壳形状的独立运动体,在运动方式上以滚动为主,隶属于移动机器人门类。与其它移动机器人相比,球形机器人在结构形状和运动机理上较为新颖,在实际应用中也表现出很多独特的优势,所以从该类机器人出现以来,迅速得到各国机器人研究人员的广泛关注。 本文的内容主要是在所设计的双驱动球形机器人基础上,通过理论分析,仿真模拟和实验验证等主要手段,对机器人在力学方程建模和控制器设计方法两个方面展开研究,具体如下: 在总结现有各种球形机器人样机构型的基础之上,提出一种新型的双驱动球形机器人构型方案。该构型方案主要是将两个直流电机在球体内呈水平共线的方式放置。由于在球体内部缺乏一个相对稳定平台,所以驱动电机的输出力矩将会导致机器人的重心偏离球体的形心,此时机器人相对接触点的重力力矩就成为驱动球体前向滚动的直接力矩来源。该球形机器人的转向电机采用齿轮齿条啮合的方式来带动球体内部构件实现转向。 为了更好的了解和认识所设计的双驱动球形机器人,需要对其在任意时刻位置和姿态的描述方法进行研究。当描述球形机器人在某一平面的运动状态时,可以将独立变量分为对外部特征和内部特征的描述两部分:外部特征确定平面-球系统的具体位姿,内部特征确定内部构件的位置关系。描述这些特征的独立变量之间可以通过转换矩阵进行相互转换。 由于球形机器人是一个受非完整约束、强耦合、欠驱动、非线性的系统,全面而准确的描述该系统全部特征的动力学方程冗长而复杂,所以在该动力学方程基础上进行机器人的分析和控制器的设计难度很大,这极大的限制球形机器人在工程实际中的应用。为此,本文提出将机器人内部构件的转向和球体的前向滚动分步执行的运动策略,此时,一个受非完整约束的系统被转变为两个受完整约束的子系统,对机器人控制的难度得以降低。在这种分步执行策略下,通过点对点直线插补式的路径规划方法,球形机器人可以实现某一任意长直线段的运动轨迹,进而也可以实现某一封闭曲线的近似逼近。为验证所提出方法的有效性,相应的构建实验平台来对某一椭圆轨迹进行逼近,实验结果表明,当对行走轨迹跟踪精度要求不是很高的情况下,完全可以利用分步执行的运动策略和直线插补式的路径规划方法,来使双驱动球形机器人完成一般性的探测任务。 前向滚动运动是双驱动球形机器人的主要运动方式,同时利用重力力矩进行驱动的运动机理与以往的移动方式也有很多不同,因此需要着重对其动力学方程进行研究。在分析中,首先,使用基于能量耗散形式下的拉格朗日方程建立该动力学模型,利用仿真手段对状态变量的变化曲线进行分析,对理论方程的正确性进行验证;其次,根据临界摆角的概念将滚动摩阻作用下和爬坡状态下的机器人动力学方程在形式上进行统一,使方程更具通用性;再次,将临界摆角和系统的平衡点联系起来,在新的平衡点处使系统的动力学方程更有效的转化为线性定长的状态空间形式。 基于状态空间形式的方程,本文展开一系列控制器设计方法和仿真分析的研究。其中主要包括:对双驱动球形机器人的镇定性进行分析;利用扩展状态变量的方法,来实现系统对任意期望输入的跟踪问题;分析利用状态观测器来对不可量测状态进行估计的控制器设计方法;开展针对具体的性能指标构建目标函数,设计最优控制器的研究。在构建的实验中,具体的测试数据也有力的证明临界摆角的存在和状态增益法设计控制器的有效性。 另外,本文还对非完整系统的光滑时变控制器设计方法和滚动摩阻的作用机理等相关问题进行相应的理论分析和研究。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:TP242.2

手机知网App
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 唐进,张增科;运动控制实验平台中DSP与PC机的通信实现[J];计算机应用与软件;2003年07期
2 何金花;彭侠夫;王莺;;船舶运动视景仿真系统研究[J];计算机仿真;2007年08期
3 郁琰;;基于MCGS的运动控制系统[J];广西轻工业;2010年09期
4 田宇;张艾群;李伟;;一种水下机器人混合模糊P+ID控制方法[J];机械设计与制造;2011年06期
5 丛爽;;运动控制中模糊逻辑控制的应用[J];电气自动化;1997年06期
6 余达太;全数字化高速高精度交流伺服控制技术与装置[J];世界制造技术与装备市场;2004年05期
7 梁新艳;杨耀权;韦根原;谷薇;;基于通用运动控制IC HCTL-1100的直流电机控制系统[J];电子器件;2006年01期
8 李占贤;孙淑惠;黄金凤;;基于PLC的高速并联机械手控制技术[J];中国制造业信息化;2006年21期
9 ;贝加莱创新产品助您轻松购物[J];国内外机电一体化技术;2008年03期
10 Joseph Ogando;;运动控制正转向以太网[J];工业设计;2008年04期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 侯来永;谢欲晓;孙启良;;针对骨盆稳定性及运动控制能力的训练对偏瘫患者步行能力和步态的影响[A];继往开来 与时俱进——2003年康复医学发展论坛暨庆祝中国康复医学会成立20周年学术大会论文集[C];2003年
2 魏书涛;刘宇;;短跑运动控制的环节互动动力学分析[A];第十三届全国运动生物力学学术交流大会论文汇编[C];2009年
3 申纯太;谭福生;;基于CompactRIO的家居监控机器人[A];2010中国仪器仪表与测控技术大会论文集[C];2010年
4 部绍清;李邦忠;潘德贤;;试验模型自动送进计算机控制[A];四届四次空气动力测控技术交流会论文集[C];2003年
5 袁勇;瞿玉棣;胡震宇;;月球车行走系统运动学分析[A];中国宇航学会深空探测技术专业委员会第二届学术会议论文集[C];2005年
6 田红芳;杨明多;;西门子Simotion D在五伺服枕式包装机中的应用[A];全国冶金自动化信息网2009年会论文集[C];2009年
7 杨开明;朱煜;叶佩青;;精密工作台扰动观测器设计及实现[A];第二十四届中国控制会议论文集(下册)[C];2005年
8 施奇峰;王云波;岳淳;;包米勒伺服系统在连续回转式高速飞剪入口转辙器上的应用[A];中国计量协会冶金分会2008年会论文集[C];2008年
9 施奇峰;王云波;岳淳;;包米勒伺服系统在连续回转式高速飞剪入口转辙器上的应用[A];2008全国第十三届自动化应用技术学术交流会论文集[C];2008年
10 曾屹;邓红;侯国强;;铁路电力远动单片机控制子系统的应用设计[A];中国仪器仪表学会第三届青年学术会议论文集(下)[C];2001年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 本报记者 林柏松;运动控制技术 领航中国机器设备制造业[N];机电商报;2006年
2 许玲珑;丹纳赫传动很精彩[N];中国包装报;2007年
3 张歌东;计算机控制技术[N];计算机世界;2006年
4 傅新绪;天门纺机展出新一代并条机[N];中国纺织报;2008年
5 记者 陈蕾;日本最大的自动化供应商选择康耐视[N];中国包装报;2008年
6 刘侃 孙利民;MCT8000——中国制造业腾飞的翅膀[N];科技日报;2000年
7 胡方;作为人类生物机能的语音产生研究[N];中国社会科学院院报;2006年
8 崔文冲 王立尘 记者 刘领;辽工大——罗克韦尔实验室揭牌[N];锦州日报;2010年
9 ;将加强与中国客户的合作[N];人民邮电;2005年
10 本报记者 魏巍;长春教育展“含金量”越来越高[N];长春日报;2006年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 赵勃;同轴双偏心质量驱动球形机器人系统建立及运动控制研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
2 岳明;双驱动球形机器人及其运动控制的研究[D];哈尔滨工业大学;2008年
3 庄未;带有机械臂的球形机器人若干问题的研究[D];北京邮电大学;2009年
4 兰晓娟;一种新型水下球形机器人的若干关键技术研究[D];北京邮电大学;2011年
5 史成坤;一种紧急救援的带臂球形机器人的研究[D];北京邮电大学;2010年
6 施昕昕;基于电磁直线执行器的运动控制技术研究[D];南京理工大学;2012年
7 杜兵;着陆式AUV动力学行为与控制策略研究[D];天津大学;2012年
8 刘艳;三维虚拟人行为控制关键技术的研究[D];天津大学;2004年
9 罗冠;虚拟人的运动生成及控制技术研究[D];西北工业大学;2004年
10 徐贺;可重构多机动模式移动机器人及其关键技术研究[D];哈尔滨工业大学;2006年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张林浩;基于接触传感器的球形机器人运动控制研究[D];北京邮电大学;2012年
2 董荣俊;一种新型球形机器人的设计与实现[D];南京航空航天大学;2009年
3 廖欢欢;球形机器人运动控制研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
4 杜娟;新型水下球形机器人的控制系统研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
5 陈宇;多维坐标结晶器内腔尺寸自动测量机的研制[D];合肥工业大学;2005年
6 于朝霞;液压冲孔机的数控及图形编程系统的研究与开发[D];山东大学;2005年
7 邓红辉;基于DSP的运动控制系统的研究[D];合肥工业大学;2002年
8 周林;分布式、网络化的微波暗室运动平台控制系统[D];电子科技大学;2004年
9 王辉;智能假肢的控制机理及控制系统研究[D];河北工业大学;2005年
10 崔宪莉;高速高精芯片封装平台的摩擦分析及补偿研究[D];华中科技大学;2005年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026