一種球形移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分析與控制技術(shù)的研究.pdf

1、球形移動(dòng)機(jī)器人具有運(yùn)動(dòng)靈活的優(yōu)點(diǎn)，且在運(yùn)動(dòng)中不存在翻仰問題。因此在工業(yè)、民用、國防以及空間探索等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。但是球形移動(dòng)機(jī)器人與地面之間具有近似點(diǎn)接觸的特點(diǎn)，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)分析與控制技術(shù)成為球形移動(dòng)機(jī)器人研究的關(guān)鍵問題，并且一直沒有得到有效地解決，阻礙了球形移動(dòng)機(jī)器人的進(jìn)一步研究和應(yīng)用。因此，本論文深入地研究了一種球形移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分析與控制技術(shù)問題。主要的研究工作如下： 首先，基于歐拉——拉格朗日方法建立球形移動(dòng)機(jī)器人

2、的動(dòng)力學(xué)模型，利用坐標(biāo)變換和輸入控制變換對(duì)模型進(jìn)行降階和標(biāo)準(zhǔn)型處理，并設(shè)計(jì)雙回路線性運(yùn)動(dòng)控制策略；提出球形移動(dòng)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)平衡問題，分別建立球殼質(zhì)量分布均勻和非均勻條件下的平面動(dòng)力學(xué)模型，利用部分線性化方法將模型分別變換為非“三角”正則形式的和“三角”正則形式的級(jí)聯(lián)非線性模型，并設(shè)計(jì)指數(shù)穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)平衡控制策略：分別對(duì)提出的運(yùn)動(dòng)控制和平衡控制策略進(jìn)行穩(wěn)定性分析、仿真和實(shí)驗(yàn)研究。 其次，將球形移動(dòng)機(jī)器人分別簡化為“球殼——重?cái)[”模型

3、和“球殼——框架”模型，建立兩者的動(dòng)力學(xué)微分方程，并通過求解微分方程的近似解研究驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)軸方向上的運(yùn)動(dòng)特性；從魯棒控制的角度，將驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)球殼的耦合作用假設(shè)為系統(tǒng)的不確定項(xiàng)后，建立了球形移動(dòng)機(jī)器人的不確定性動(dòng)力學(xué)模型；應(yīng)用滑模變結(jié)構(gòu)技術(shù)設(shè)計(jì)魯棒運(yùn)動(dòng)控制策略，并進(jìn)行控制策略的穩(wěn)定性分析、仿真和實(shí)驗(yàn)研究。 再次，利用微分幾何的方法研究球形移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的可控性，利用坐標(biāo)變換對(duì)模型進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)型處理，并設(shè)計(jì)指數(shù)穩(wěn)定的非線性

4、姿態(tài)控制策略；基于球形移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和魯棒運(yùn)動(dòng)控制策略提出基于曲率的路徑跟蹤策略；分別對(duì)提出的姿態(tài)控制和路徑跟蹤控制策略進(jìn)行穩(wěn)定性分析、仿真和實(shí)驗(yàn)研究。 在理論研究成果的基礎(chǔ)上，研制球形移動(dòng)機(jī)器人的嵌入式控制系統(tǒng)，分析系統(tǒng)的可能性故障，并針對(duì)故障提出球形移動(dòng)機(jī)器人的冗余容錯(cuò)策略；研制高可靠性的冗余雙備份伺服控制系統(tǒng)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。 最后，研究基于多傳感器(慣性測量裝置、光電編碼器、激光測距儀以及視覺傳感器)融合