雙驅(qū)動(dòng)球形機(jī)器人及其運(yùn)動(dòng)控制的研究.pdf

1、球形機(jī)器人是一種以球形或近似球形為其外殼形狀的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)體，在運(yùn)動(dòng)方式上以滾動(dòng)為主，隸屬于移動(dòng)機(jī)器人門(mén)類(lèi)。與其它移動(dòng)機(jī)器人相比，球形機(jī)器人在結(jié)構(gòu)形狀和運(yùn)動(dòng)機(jī)理上較為新穎，在實(shí)際應(yīng)用中也表現(xiàn)出很多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，所以從該類(lèi)機(jī)器人出現(xiàn)以來(lái)，迅速得到各國(guó)機(jī)器人研究人員的廣泛關(guān)注。
　　本文的內(nèi)容主要是在所設(shè)計(jì)的雙驅(qū)動(dòng)球形機(jī)器人基礎(chǔ)上，通過(guò)理論分析，仿真模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等主要手段，對(duì)機(jī)器人在力學(xué)方程建模和控制器設(shè)計(jì)方法兩個(gè)方面展開(kāi)研究，具體如下：

2、
　　在總結(jié)現(xiàn)有各種球形機(jī)器人樣機(jī)構(gòu)型的基礎(chǔ)之上，提出一種新型的雙驅(qū)動(dòng)球形機(jī)器人構(gòu)型方案。該構(gòu)型方案主要是將兩個(gè)直流電機(jī)在球體內(nèi)呈水平共線的方式放置。由于在球體內(nèi)部缺乏一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)，所以驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出力矩將會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人的重心偏離球體的形心，此時(shí)機(jī)器人相對(duì)接觸點(diǎn)的重力力矩就成為驅(qū)動(dòng)球體前向滾動(dòng)的直接力矩來(lái)源。該球形機(jī)器人的轉(zhuǎn)向電機(jī)采用齒輪齒條嚙合的方式來(lái)帶動(dòng)球體內(nèi)部構(gòu)件實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。
　　為了更好的了解和認(rèn)識(shí)所設(shè)計(jì)的雙驅(qū)動(dòng)球形

3、機(jī)器人，需要對(duì)其在任意時(shí)刻位置和姿態(tài)的描述方法進(jìn)行研究。當(dāng)描述球形機(jī)器人在某一平面的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，可以將獨(dú)立變量分為對(duì)外部特征和內(nèi)部特征的描述兩部分：外部特征確定平面-球系統(tǒng)的具體位姿，內(nèi)部特征確定內(nèi)部構(gòu)件的位置關(guān)系。描述這些特征的獨(dú)立變量之間可以通過(guò)轉(zhuǎn)換矩陣進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。
　　由于球形機(jī)器人是一個(gè)受非完整約束、強(qiáng)耦合、欠驅(qū)動(dòng)、非線性的系統(tǒng)，全面而準(zhǔn)確的描述該系統(tǒng)全部特征的動(dòng)力學(xué)方程冗長(zhǎng)而復(fù)雜，所以在該動(dòng)力學(xué)方程基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)器人的分

4、析和控制器的設(shè)計(jì)難度很大，這極大的限制球形機(jī)器人在工程實(shí)際中的應(yīng)用。為此，本文提出將機(jī)器人內(nèi)部構(gòu)件的轉(zhuǎn)向和球體的前向滾動(dòng)分步執(zhí)行的運(yùn)動(dòng)策略，此時(shí)，一個(gè)受非完整約束的系統(tǒng)被轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)受完整約束的子系統(tǒng)，對(duì)機(jī)器人控制的難度得以降低。在這種分步執(zhí)行策略下，通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直線插補(bǔ)式的路徑規(guī)劃方法，球形機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)某一任意長(zhǎng)直線段的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而也可以實(shí)現(xiàn)某一封閉曲線的近似逼近。為驗(yàn)證所提出方法的有效性，相應(yīng)的構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)對(duì)某一橢圓軌跡進(jìn)行逼近，

5、實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)對(duì)行走軌跡跟蹤精度要求不是很高的情況下，完全可以利用分步執(zhí)行的運(yùn)動(dòng)策略和直線插補(bǔ)式的路徑規(guī)劃方法，來(lái)使雙驅(qū)動(dòng)球形機(jī)器人完成一般性的探測(cè)任務(wù)。
　　前向滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)是雙驅(qū)動(dòng)球形機(jī)器人的主要運(yùn)動(dòng)方式，同時(shí)利用重力力矩進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理與以往的移動(dòng)方式也有很多不同，因此需要著重對(duì)其動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)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該動(dòng)力學(xué)模型，利用仿真手段對(duì)狀態(tài)變量的變化曲線進(jìn)行分析，對(duì)理論方程的正

6、確性進(jìn)行驗(yàn)證；其次，根據(jù)臨界擺角的概念將滾動(dòng)摩阻作用下和爬坡?tīng)顟B(tài)下的機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程在形式上進(jìn)行統(tǒng)一，使方程更具通用性；再次，將臨界擺角和系統(tǒng)的平衡點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)，在新的平衡點(diǎn)處使系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程更有效的轉(zhuǎn)化為線性定長(zhǎng)的狀態(tài)空間形式。
　　基于狀態(tài)空間形式的方程，本文展開(kāi)一系列控制器設(shè)計(jì)方法和仿真分析的研究。其中主要包括：對(duì)雙驅(qū)動(dòng)球形機(jī)器人的鎮(zhèn)定性進(jìn)行分析；利用擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)變量的方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)任意期望輸入的跟蹤問(wèn)題；分析利用狀態(tài)觀測(cè)器