同軸雙偏心質(zhì)量驅(qū)動球形機器人系統(tǒng)建立及運動控制研究.pdf

1、球形機器人是一種以滾動方式行走的新型移動機器人，與傳統(tǒng)的輪式、足式移動機器人相比，球形機器人具有運動靈活、自我保護能力強、環(huán)境適應(yīng)能力強等特點，獨特的機械結(jié)構(gòu)和運動原理使其能夠應(yīng)用于多塵、潮濕、崎嶇的復(fù)雜環(huán)境。球形機器人在軍事、工業(yè)、生活等方面都具有廣泛的應(yīng)用前景，是目前智能機器人領(lǐng)域的研究熱點之一。
　　在總結(jié)現(xiàn)有球形機器人構(gòu)型的基礎(chǔ)上，本文將球形機器人中應(yīng)用最廣泛的偏心質(zhì)量驅(qū)動構(gòu)型進行改進，提出一種同軸雙偏心質(zhì)量驅(qū)動球形機器人

2、構(gòu)型。在對同軸雙偏心質(zhì)量驅(qū)動球形機器人運動原理分析的基礎(chǔ)上，對機器人進行了機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。針對所設(shè)計的球形機器人運動學(xué)特性，為了避免求解過程中出現(xiàn)奇點，采用卡爾丹角描述機器人的位置和姿態(tài)，對同軸雙偏心質(zhì)量驅(qū)動球形機器人進行運動學(xué)分析。利用平面幾何關(guān)系得到了機器人運動過程中球殼傾角與軌跡半徑之間的對應(yīng)關(guān)系，通過球殼與地面之間的純滾動約束條件建立了球心位置坐標的約束方程，通過位置變換矩陣建立了球殼及偏心質(zhì)量在相對坐標系與慣性坐標系之間的速度映

3、射關(guān)系，為進一步的動力學(xué)建模及控制系統(tǒng)研究奠定了基礎(chǔ)。
　　本文將球形機器人的運動分為直線運動、原地轉(zhuǎn)向運動和圓弧軌跡運動分別進行運動控制研究。為了使球形機器人直線運動能夠平穩(wěn)啟停且速度可控，將直線運動模型簡化為平面內(nèi)單輸入兩自由度的欠驅(qū)動系統(tǒng)，利用拉格朗日方程建立了機器人直線運動的動力學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上提出了一種基于高斯函數(shù)的直線運動控制方法，通過仿真驗證了控制方法的有效性。為了補償外界擾動對機器人運動速度的影響，提出了一種基于

4、參數(shù)調(diào)整的直線運動控制策略，在特殊的時間點根據(jù)機器人速度誤差調(diào)整高斯函數(shù)，通過改變機器人的加速度實現(xiàn)了速度補償。
　　針對球形機器人特有的原地轉(zhuǎn)向運動，分析了同軸雙偏心質(zhì)量驅(qū)動球形機器人原地轉(zhuǎn)向運動的運動原理，利用動量矩定理建立了原地轉(zhuǎn)向運動的動力學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上提出一種基于粘滑原理的原地轉(zhuǎn)向運動控制方法，通過余弦控制函數(shù)對兩個偏心質(zhì)量進行運動規(guī)劃，利用偏心質(zhì)量運動產(chǎn)生的慣性力矩實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向運動。分析了余弦控制函數(shù)中各參數(shù)值對機

5、器人運動的影響，并通過仿真驗證了原地轉(zhuǎn)向運動控制方法的有效性。
　　為了使球形機器人圓弧軌跡運動速度與軌跡半徑均可控，研究了同軸雙偏心質(zhì)量驅(qū)動球形機器人圓弧軌跡運動原理，利用動量矩定理建立了圓弧軌跡運動動力學(xué)模型，提出一種基于單擺運動與隨動控制相結(jié)合的控制策略，機器人圓弧軌跡運動分解為前向滾動與側(cè)向滾動分別進行控制，采用正弦控制函數(shù)對偏心質(zhì)量進行運動規(guī)劃產(chǎn)生適當?shù)膽T性力，通過控制球殼相對于地面的傾角控制軌跡半徑；采用位置隨動控制實

6、現(xiàn)機器人前向滾動速度控制。設(shè)計了圓弧軌跡運動控制器，并通過仿真驗證了該控制策略的有效性。
　　最后搭建了同軸雙偏心質(zhì)量驅(qū)動球形機器人樣機實驗系統(tǒng)，介紹了球形機器人硬件及軟件系統(tǒng)構(gòu)成，對球形機器人樣機進行了直線運動實驗研究，實驗結(jié)果表明球形機器人能夠在高斯控制函數(shù)作用下做速度可控的直線運動，基于參數(shù)調(diào)整的控制策略能夠補償外界干擾對機器人速度的影響；開展了同軸雙偏心質(zhì)量驅(qū)動球形機器人原地轉(zhuǎn)向運動實驗研究，實驗結(jié)果表明機器人能夠在余弦控