一种3自由度移动机器人的动力学模型

3自由度移动机器人可以以一定姿态沿任意的方向运动 ,实现平面上的自由运动 ,成为全方位移动机器人(Omni directionalMobileRobot) ,它能够对位置和方位进行独立的跟踪控制 ,具有很高的灵活性和机动性。本文针对具有两个可操舵驱动轮的 3自由度移动机器人利用Kane方法建立了在理想状态 (下不产生打滑及横滑现象 )的非线性动力学模型 ,为设计路径跟踪及避障控制器提供了有力的依据。     

全地形六轮移动机器人的设计与制作

设计制作了一种六轮独立驱动差速转向的全地形移动机器人,分析了六轮驱动和差速转向在全地形移动机器人应用上的优势。对移动机器人进行整体设计,建立了全地形六轮移动机器人平面差速转向的动力学模型,在研究动力学模型的基础上得到电机参数,选择合适的驱动电机和减速器。运用ADAMS虚拟样机对移动机器人的关键尺寸进行多目标优化,得到在一定约束条件下的最优设计尺寸。运用SolidWorks软件建立了三维模型,完成机器人的机械系统搭建和控制系统搭建。     

《中国机械工程》2007年总目次

机械科学可调板式楔横轧机宋玉泉等(1—1)超高压输电线路巡检机器人两种越障定位方法比较孙翠莲等(1—4)多运动模式的小型地面移动机器人设计与实现段星光等(1—8)交流电磁场裂纹检测反演算法研究李伟等(1-13)超磁致伸缩致动器热变形影响及温控研究卢全国等(1—16)平面五杆机构的机构变换及选型李佳等(1—20)基于几何非线性大型带式输送机动力学仿真李光布等(1—23)基于仿真计算的某型飞机起落架收放机构的仿真研究朱林等(1—26)前轮操舵驱动移动机器人前后轮横滑刚度测量上官望义等(1—30)基于砂轮均匀钝化和进让式进给精密磨削的研究姚斌…     

可变形履带式自动巡检消防机器人设计与性能分析

工厂、变电站等监管力度不到位、消防设施缺乏,导致火灾的频繁发生。针对此问题,研究设计了一种自动巡检消防移动机器人。首先根据机器人主要技术指标及实际工作环境提出总体设计方案,确定各系统组成;根据使用场合设计独特的履带机构和传动机构;对机器人在平面和斜面上加速运动进行受力分析并计算驱动功率;通过对比各类驱动系统的优缺点选用电机驱动方式,确定电机、减速器和驱动器型号;分析机器人的复杂运动过程,如爬楼梯运动、爬坡运动等。经试验证明,自动巡检消防移动机器人结构设计合理,满足设计要求,对我国社会发展具有重要意义。     

六轮全地形移动机器人越障性能分析与仿真

针对六轮全地形移动机器人悬架机构的结构特点,构建了机器人越障过程动力学模型,对机器人的越障性能进行了分析并利用ADAMS进行了动力学仿真。首先对机器人前轮、中轮、后轮的越障过程进行了分析,进而基于达朗贝尔原理建立了机器人越障过程的动力学模型并进行了动力学分析,得出了机器人运动状态对电机输出力矩的影响。然后基于ADAMS仿真软件构建了机器人的仿真模型并进行动力学仿真,为机器人电机选型奠定了理论基础。最后移动机器人越障性能实验表明,六轮全地形移动机器人可以爬越楼梯等垂直障碍,为提高机器人适应复杂地形环境的能力提供理论依据。     

全方位移动机器人控制系统设计

设计了mecanum轮全方位移动机器人的运动控制系统。对机器人进行了运动学建模,使用一种PD闭环控制方法提高机器人的运动精度。机器人可沿平面内任意方向和轨迹运动,使用工业摄像机记录运行轨迹,对其运动精度进行了分析。实验结果表明,电机响应速度快,机器人在300×250cm范围内最大运动误差为1.632cm,验证了该控制系统的有效性和稳定性。     

基于变质心控制的低速水下航行器动力学建模

针对水下滑翔机器人在低速运动过程中常规鳍舵低的问题,提出了通过设在航行器内部的3个滑动质量块运动,改变机器人动力学系统质心,从而改变了作用在机器人上的流体动力力矩,进而改变其姿态角,从根本上克服了常规的鳍舵控制方法的不足。本文基于广义d’Alembert方程推导了基于变质心控制的水下滑翔机器人的4刚体9自由度动力学方程,进行了纵平面下的弹道仿真。     

基于四旋翼驱动的两栖机器人设计与分析

传统的移动机器人往往只具有单一的运动模式,因此环境适应能力较弱。从提高移动机器人的环境适应能力角度出发,设计了一种新型两栖移动机器人。首先描述了该机器人的机械结构与控制及传感系统,并阐述了机器人通过对4个旋翼的转动速度和方向进行配置,从而实现其在空中飞行或在地面滚动的运动学原理。然后通过牛顿第二定律与欧拉方程对机器人进行了动力学建模,所得的动力学模型同时适用于机器人的空中飞行和地面滚动。最后通过试验验证该两栖机器人能够实现预期的两种运动模式,以证实其能够提升传统的移动机器人的环境适应能力。     

核环境下关节式履带移动机器人设计与研究

分析了一种可用于核环境下的关节式履带移动机器人,阐述了用于核环境下关节式履带移动机器人的特殊要求及能满足该要求的运动机构.分析了机器人爬坡、越障、跨沟、爬梯等运动过程.建立机器人杆件坐标系,通过齐次坐标变换建立了机器人的运动学模型,并对正运动学及逆运动学分别进行了求解,为核环境下关节式履带移动机器人的动力学分析求解及设计打下了基础.     

全方位移动机器人模糊PID控制算法研究

将PID控制对线性定常系统控制的优势和模糊控制对复杂非线性系统的有效控制相结合,设计了一种基于模糊PID控制算法实现全方位移动机器人的定位导航控制。全方位移动机器人采用四个步进电机驱动全向轮行进,控制器采用传感器位置信息反馈和航位推算相结合导航定位方式,利用模糊PID算法实现纠偏;为克服机器人偏航或高速运动时常规PID控制稳定性不足,采用实时跟踪偏差和偏差变化率来修正PID各参数,实现对机器人导航定位控制,并依据机器视觉和光电编码器确定位置。实验结果表明,利用模糊PID进行全方位移动机器人的运动控制,能够提高导航定位精准度。     

基于状态观测器的主动前轮转向研究

应用拉格朗日方程建立汽车主动前轮转向的动力学模型,并以转向盘转角、横摆角速度和侧偏角为优化目标,设计线性二次型调节器（LQR）。调节器中,通过横摆角速度和侧偏角的共同反馈控制助力电机的转角。由于质心侧偏角信号难以直接测量,设计了状态观测器对该信号进行估计。通过MATLAB进行仿真计算,结果表明, LQR优化控制能有效地改善整车的转向特性,提高汽车的操纵稳定性。     

基于状态反馈的主动转向控制

通过对前轮主动转向结构形式的分析和简化,建立了状态空间形式的主动前轮转向动力学模型。并以转向盘转角、横摆角速度和侧偏角为优化目标,设计了线性二次型调节器控制。通过横摆角速度和质心侧偏角的共同反馈,控制电动机助力转角,实现主动转向。控制过程中,设计状态观测器对难以直接测量的质心侧偏角信号进行估计,满足系统对反馈信号的需求。利用Matlab对转向路径跟踪过程及遭遇侧向风作用工况的仿真分析表明,通过横摆角速度和侧偏角的反馈控制,将横摆角速度控制在理想的范围,质心侧偏角被限制在车轮的线性范围内,有效地改善整车的转向特性,提高汽车的操纵稳定性。     

多桥转向全路面起重机操纵稳定性研究

根据汽车起重机多桥转向系统的动力学方程普适公式，建立了MATLAB／Simulink仿真模型，分析了多桥转向各桥的转向比关系，并以三桥转向为例，对前轮转向和多桥转向在时域比较分析，其中多桥转向采用零侧偏角比例控制策略。分析结果表明，采用零侧偏角比例控制多桥转向，可以使系统在任意速度下的侧偏角稳态值为零，转向过程更平稳；并且使横摆角速度的稳态值变化范围减小，驾驶员操作更舒适，显著改善了系统的操纵稳定性。     

四轮驱动全轮差速转向移动焊接机器人运动学分析与仿真

为增加轮式移动焊接机器人稳定性、负载能力和降低控制复杂度,提出了一种四轮驱动全轮差速转向移动焊接机器人机构,介绍了该机构差速转向原理,证明该机构无转向侧滑。采用非完整约束方法建立了其差速转向误差模型,并在该模型基础上对其进行了直线-圆弧-直线轨迹数值仿真,结果为转角误差0.002 137°,转动中心坐标误差小于0.012mm。仿真结果表明该模型满足焊接中的位置精度要求。     

Steering control algorithm for efficient drive of a mobile robot with steerable omni-directional wheels

Omnidirectional mobile robots are capable of arbitrary motion in an arbitrary direction without changing the direction of wheels because they can perform 3-DOF motions on a plane. This paper presents a novel mobile robot design with steerable omnidirectional wheels. This robot can operate in either omnidirectional or differential drive modes, depending on the drive conditions. In the omnidirectional mode, the robot has 3 DOF in motion and 1 DOF in steering, which can function as a continuously variable transmission (CVT). The CVT function can be used to enhance the efficiency of the robot operation by increasing the range of the velocity ratio of the robot velocity to wheel velocity. The structure and kinematics of this robot are presented in detail. In the proposed steering control algorithm, the steering angle is controlled such that the motors may operate in the region of high velocity and low torque, thus operating with maximum efficiency. Various tests demonstrate that the motion control of the proposed robot works satisfactorily and the proposed steering control algorithm for CVT can provide a higher efficiency than the algorithm using a fixed steering angle. In addition, it is shown that the differential drive mode can give better efficiency than the omnidirectionaldrive mode.     

基于阿克曼定理的四轮独立转向模糊控制算法研究

基于阿克曼转向定理,研究电动汽车四轮独立转向系统。利用轮胎"魔术公式"建立二自由度非线性模型,并提出一种基于模糊策略的方法对其质心侧偏角进行控制。整车系统仿真的输入为左前轮车轮转角,其余3个车轮转角由模糊控制决定。质心侧偏角作为模糊控制器的输入,满足阿克曼定理的3个车轮转角作为其输出,由此实现四轮独立转向的控制。仿真研究结果表明所提出算法的有效性。     

一种滚动密封式爬壁机器人动力学建模与分析

介绍了一种滚动密封式爬壁机器人,分析了其密封与运动机理。提出了一种多履带协调运动的爬壁机器人动力学建模方法,推导出该机器人直线运动及转向动力学方程。建立了直线运动及转向时履带牵引力与机器人姿态角之间的关系,分别计算出采用滑动密封和滚动密封方式的机器人在运动过程中的摩擦阻力并进行了比较分析。仿真和样机实验表明该爬壁机器人可沿壁面行走与越障,具有摩擦阻力小、负载能力大及对壁面适应性强等特点。     

ACTIVE FRONT STEERING DURING BRAKING PROCESS

An active front steering （AFS） intervention control during braking for vehicle stability is presented. Based on the investigation of AFS mechanism, a simplified model of steering system is established and integrated with vehicle model. Then the AFS control on vehicle handling dynamics during braking is designed. Due to the difficulties associated with the sideslip angle measurement of vehicle, a state observer is designed to provide real time estimation. Thereafter, the controller with the feedback of both sideslip and yaw angle is implemented. To evaluate the system control, the proposed AFS controlled vehicle has been tested in the Hardware-in-the-loop-simulation （HILS） system and compared with that of conventional vehicle. Results show that AFS can improve vehicle lateral stability effectively without reducing the braking performance.     

轮腿式爬楼梯移动机器人的设计及运动特性分析

针对非结构化复杂环境对移动机器人的运动要求,结合轮式和腿式移动机构的优点,设计了一种高效、稳定的轮腿式爬楼梯移动机器人。设计了机器人的主要结构,分析了机器人的稳定性及转向性能。平地行走、转向、越障、上下楼梯等实验结果表明:设计的轮腿式爬楼梯移动机器人结构简单,运动灵活,控制方便,控制精度高,不需对运行步态进行预先规划,它不仅可以在崎岖不平的环境中实现快速行驶,而且实现了快速稳定的爬楼梯功能,具有很强的越障能力和环境适应能力。     

45°车把转角下前轮驱动自行车机器人的定车运动

针对无配重调节器的自行车机器人在低速下不易平衡的问题,以一种前轮驱动自行车机器人为对象,给出其力学模型及在45°车把转角下定车运动的实现方法。通过车轮转弯半径分析推导出后轮角速度、车架航向角速度与前轮驱动速度、车把转角的关系,采用拉格朗日方程建立系统的力学模型;根据部分反馈线性化原理,将包含车架横滚角的欠驱动子系统线性化,设计出自行车机器人45°车把转角下定车运动的平衡控制器。仿真控制结果表明,合理选择控制参数,控制器可以快速地实现自行车机器人在45°车把转角下的定车运动;样机试验结果进一步证明,控制器可以使自行车机器人在不超过驱动电动机的力矩容限下实现45°车把转角下的定车运动。定车运动的实现从理论和试验两个方面证明,自行车机器人在低速下可以不需要配重调节器,仅依靠车把转动和前轮驱动保持稳定平衡。