六自由度独轮机器人本体研制及动力学控制方法研究

论文摘要

独轮机器人是一种特殊的新型移动机器人,其动力学系统高度复杂,具有非线性、多变量、强耦合等特点,尤其是其动力学强耦合和全方位姿态不稳定使其无法像双轮机器人一样自由运动,因此,自由运动过程中的姿态镇定、运动效率的提高至今保留为开放的问题。而且,姿态不稳定性及机器人动态平衡问题的解决本身就是控制理论和动力学研究领域的难点。本文针对5自由度独轮机器人运动效率低,不能自由转向的问题,提出了具有自旋转功能的结构概念,并设计了面向自由移动功能的具有偏航能力的6自由度独轮机器人,研制出了机械本体,为后续样机实验奠定了基础。由于机器人的结构决定了其动力学模型的建立、动态平衡性能及运动控制性能,所以本文从机器人的动力学建模、姿态控制算法、运动控制仿真分析、机械参数优化等方面对设计的6自由度独轮机器人进行研究分析。本文通过分析独轮机器人的运动规律,根据拉格朗日方程建立了独轮机器人的动力学模型,并设计了时变增益和固定增益的控制策略,从数学方法上分析和证明了系统的渐进稳定性,实现了机器人的动态平衡控制,并对转向控制方法做了研究。通过MATLAB各种仿真实验验证了所设计的控制算法的可行性和有效性,并在与固定增益控制器的仿真比较中,验证了时变增益控制器的先进性和优越性。运用基于ADAMS的虚拟样机技术对机器人的稳定性进行了仿真分析,使仿真更符合实际环境。最后,独立设计了面向自由移动功能的独轮机器人机械本体,并对各部分功能做了详细介绍。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和意义
• 1.2 独轮机器人的分类
• 1.3 独轮机器人的研究历史及现状
• 1.3.1 美国研究现状
• 1.3.2 日本研究现状
• 1.3.3 国内研究现状
• 1.3.4 国内外研究现状总结
• 1.4 主要研究内容
• 第2章 独轮机器人动力学建模与控制算法设计
• 2.1 引言
• 2.2 独轮机器人动力学建模
• 2.2.1 建模的理想化假设
• 2.2.2 参数设定
• 2.2.3 独轮机器人各部分的动势能分析
• 2.2.4 六自由度机器人系统的动力学方程
• 2.3 独轮机器人解耦控制器设计
• 2.3.1 时变增益控制器设计
• 2.3.2 固定增益控制器设计
• 2.3.3 两种控制器的比较仿真分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 独轮机器人姿态控制仿真分析
• 3.1 引言
• 3.2 独轮机器人动态平衡仿真分析
• 3.2.1 稳态响应
• 3.2.2 非稳态响应
• 3.3 转向控制仿真分析
• 3.4 机械参数对系统性能影响的仿真
• 3.4.1 机械参数分析
• 3.4.2 机械参数对动态响应的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 独轮机器人虚拟样机研究
• 4.1 引言
• 4.2 独轮机器人仿真模型的建立
• 4.2.1 创建独轮机器人实体模型
• 4.2.2 ADAMS 仿真模型等效转换
• 4.2.3 创建独轮机器人的各个部件之间的约束和载荷力
• 4.2.4 独轮机器人控制系统的建立
• 4.3 独轮机器人的仿真与分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 独轮机器人的本体研制
• 5.1 引言
• 5.2 机械结构设计
• 5.2.1 功能概述
• 5.2.2 机械结构设计准则
• 5.2.3 总体方案的提出
• 5.2.4 机械系统各部分设计
• 5.3 传感器结构布局
• 5.4 本章小结
• 结论
• 附录
• 参考文献
• 致谢