轮式移动机器人机构设计与运动控制研究

论文摘要

移动机器人,由于其良好的运动性能和广阔的应用前景,越来越受到研究者的青睐。研究者们从机构设计、位姿探测、视觉导航、路径规划、轨迹跟踪以及控制器设计等多方面对移动机器人进行了研究。本课题研究的是轮式移动机器人,由于其本身具有非完整约束的性质,不满足Brockett必要条件,所以不能通过光滑状态反馈镇定,所以运动控制方面具有一定的难度。寻求一种稳定有效的控制算法成为了众多研究者的目标,这反过来推动了控制理论,特别是非线性控制理论的发展。本文的主要工作内容如下：首先,阐述了移动机器人的概念、分类、研究现状以及发展趋势等基本情况,分析了机器人系统的体系结构,确定了本课题的主要任务。其次,在研究了现有的比较成功的轮式移动机器人优点的基础上,设计了移动机器人的机械结构,并完成了机器人样机的加工制作。再次,建立了移动机器人的运动学模型,并在此基础上进行了运动学和动力学分析,并利用ADAMS进行了仿真实验。在运动学分析的基础上,利用Lyapunov直接法设计了机器人轨迹跟踪的控制律,并利用MATLAB进行了仿真验证。最后,对本论文所做的工作进行了总结,并对在今后的研究中需要进行的工作提出了自己的看法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 移动机器人概述
• 1.1.1 移动机器人的概念
• 1.1.2 移动机器人的分类
• 1.2 移动机器人研究的目的及意义
• 1.3 移动机器人的研究概况及发展趋势
• 1.3.1 移动机器人的发展概况
• 1.3.2 移动机器人的主要研究内容
• 1.3.3 移动机器人的发展趋势
• 1.4 本文的主要研究内容
• 1.5 小结
• 第2章 轮式移动机器人系统结构分析
• 2.1 前言
• 2.2 轮式移动机器人系统组成及设计原则
• 2.3 机器人机械系统
• 2.3.1 本设计对机械系统的要求
• 2.3.2 机器人本体结构及其设计要求
• 2.3.3 机器人的运动机构
• 2.3.4 机器人的任务执行机构
• 2.4 机器人软件系统
• 2.5 机器人硬件系统
• 2.6 小结
• 第3章 机构设计与样机制作
• 3.1 前言
• 3.2 总体设计
• 3.3 运动机构设计
• 3.3.1 运动方案的对比与选择
• 3.3.2 从动轮机构设计
• 3.3.3 驱动电机及减速器的选择
• 3.3.4 驱动机构设计
• 3.3.5 运动机构总体效果
• 3.4 样机制作
• 3.5 小结
• 第4章 运动学、动力学分析及仿真
• 4.1 引言
• 4.2 运动学模型
• 4.3 运动学分析
• 4.3.1 正运动学分析
• 4.3.2 逆运动学分析
• 4.4 动力学分析
• 4.5 基于虚拟样机的机器人运动仿真
• 4.5.1 虚拟样机技术及ADAMS软件简介
• 4.5.2 建立机器人的虚拟样机模型
• 4.5.3 设置机器人的物理参数及环境变量
• 4.5.4 仿真实验
• 4.6 小结
• 第5章 运动控制算法研究
• 5.1 前言
• 5.2 轨迹跟踪的运动学基础
• 5.2.1 机器人运动的约束分析
• 5.2.2 轨迹跟踪的运动学原理
• 5.3 轨迹跟踪算法研究
• 5.3.1 轨迹跟踪问题描述
• 5.3.2 Lyapunov稳定性理论简介
• 5.3.3 基于Lyapunov直接法的轨迹跟踪算法设计
• 5.3.4 仿真实验
• 5.4 运动控制算法的应用原理
• 5.5 小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 研究工作展望
• 参考文献
• 致谢