雙驅(qū)動球形機器人及其運動控制的研究.pdf

1、球形機器人是一種以球形或近似球形為其外殼形狀的獨立運動體，在運動方式上以滾動為主，隸屬于移動機器人門類。與其它移動機器人相比，球形機器人在結(jié)構(gòu)形狀和運動機理上較為新穎，在實際應用中也表現(xiàn)出很多獨特的優(yōu)勢，所以從該類機器人出現(xiàn)以來，迅速得到各國機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)計的雙驅(qū)動球形機器人基礎(chǔ)上，通過理論分析，仿真模擬和實驗驗證等主要手段，對機器人在力學方程建模和控制器設(shè)計方法兩個方面展開研究，具體如下：

2、
　　在總結(jié)現(xiàn)有各種球形機器人樣機構(gòu)型的基礎(chǔ)之上，提出一種新型的雙驅(qū)動球形機器人構(gòu)型方案。該構(gòu)型方案主要是將兩個直流電機在球體內(nèi)呈水平共線的方式放置。由于在球體內(nèi)部缺乏一個相對穩(wěn)定平臺，所以驅(qū)動電機的輸出力矩將會導致機器人的重心偏離球體的形心，此時機器人相對接觸點的重力力矩就成為驅(qū)動球體前向滾動的直接力矩來源。該球形機器人的轉(zhuǎn)向電機采用齒輪齒條嚙合的方式來帶動球體內(nèi)部構(gòu)件實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。
　　為了更好的了解和認識所設(shè)計的雙驅(qū)動球形

3、機器人，需要對其在任意時刻位置和姿態(tài)的描述方法進行研究。當描述球形機器人在某一平面的運動狀態(tài)時，可以將獨立變量分為對外部特征和內(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。描述這些特征的獨立變量之間可以通過轉(zhuǎn)換矩陣進行相互轉(zhuǎn)換。
　　由于球形機器人是一個受非完整約束、強耦合、欠驅(qū)動、非線性的系統(tǒng)，全面而準確的描述該系統(tǒng)全部特征的動力學方程冗長而復雜，所以在該動力學方程基礎(chǔ)上進行機器人的分

4、析和控制器的設(shè)計難度很大，這極大的限制球形機器人在工程實際中的應用。為此，本文提出將機器人內(nèi)部構(gòu)件的轉(zhuǎn)向和球體的前向滾動分步執(zhí)行的運動策略，此時，一個受非完整約束的系統(tǒng)被轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€受完整約束的子系統(tǒng)，對機器人控制的難度得以降低。在這種分步執(zhí)行策略下，通過點對點直線插補式的路徑規(guī)劃方法，球形機器人可以實現(xiàn)某一任意長直線段的運動軌跡，進而也可以實現(xiàn)某一封閉曲線的近似逼近。為驗證所提出方法的有效性，相應的構(gòu)建實驗平臺來對某一橢圓軌跡進行逼近，

5、實驗結(jié)果表明，當對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)行的運動策略和直線插補式的路徑規(guī)劃方法，來使雙驅(qū)動球形機器人完成一般性的探測任務。
　　前向滾動運動是雙驅(qū)動球形機器人的主要運動方式，同時利用重力力矩進行驅(qū)動的運動機理與以往的移動方式也有很多不同，因此需要著重對其動力學方程進行研究。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力學模型，利用仿真手段對狀態(tài)變量的變化曲線進行分析，對理論方程的正

6、確性進行驗證；其次，根據(jù)臨界擺角的概念將滾動摩阻作用下和爬坡狀態(tài)下的機器人動力學方程在形式上進行統(tǒng)一，使方程更具通用性；再次，將臨界擺角和系統(tǒng)的平衡點聯(lián)系起來，在新的平衡點處使系統(tǒng)的動力學方程更有效的轉(zhuǎn)化為線性定長的狀態(tài)空間形式。
　　基于狀態(tài)空間形式的方程，本文展開一系列控制器設(shè)計方法和仿真分析的研究。其中主要包括：對雙驅(qū)動球形機器人的鎮(zhèn)定性進行分析；利用擴展狀態(tài)變量的方法，來實現(xiàn)系統(tǒng)對任意期望輸入的跟蹤問題；分析利用狀態(tài)觀測器