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可跳跃式自平衡机器人建模、运动规划与控制研究

可跳跃式自平衡机器人建模、运动规划与控制研究

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作者：王春东大连海事大学

学位级别：硕士

两轮自平衡机器人具有体积小、运动灵活、易于操控等特点,被广泛应用于代步工具和服务类机器人等相关领域,但由于现有的两轮自平衡机器人存在本质不稳定性、欠驱动以及强耦合性等缺陷,当面对障碍物、沟渠等复杂路况时难以适用。为增强... 详细信息

两轮自平衡机器人具有体积小、运动灵活、易于操控等特点,被广泛应用于代步工具和服务类机器人等相关领域,但由于现有的两轮自平衡机器人存在本质不稳定性、欠驱动以及强耦合性等缺陷,当面对障碍物、沟渠等复杂路况时难以适用。为增强两轮自平衡机器人的适应能力,同时拓展其应用范围,本文将两轮自平衡机器人与三关节跳跃机构相结合,设计了一种可跳跃的两轮自平衡机器人方案,使自平衡机器人在复杂路况下的运动成为可能。本文分别从结构设计与运动学建模、动力学建模以及运动规划与控制三个方面对该机器人进行理论分析与仿真。在结构设计与运动学建模方面,针对可跳跃式两轮自平衡机器人的结构模型,建立了机器人质心运动学模型。采用坐标变换方法和D-H参数法建立了机器人质心的正运动学模型,通过代数方法求解质心的逆运动学。分析了机器人的速度传递,得到机器人质心的运动方程和质心雅可比矩阵。在动力学建模方面,建立了机器人跳跃模式下的动力学模型和自平衡模式下的动力学模型。分析了机器人竖直跳跃原理、机器人的跳跃条件以及机器人的受力情况,推导出ZMP(零力矩点)方程,采用牛顿欧拉法和拉格朗日法推导了跳跃模式下机器人的动力学方程,并分析了腾空后系统质心的角动量变化关系。将整体模型等效为两轮倒立摆机器人,采用牛顿力学方法建立自平衡模式下的动力学方程,并对其进行线性化处理。在运动规划与控制方面,规划了机器人的跳跃运动过程,分别针对自平衡模式和跳跃模式设计相应的控制器。采用五次多项式规划了起跳和腾空阶段质心和车轮的相对运动;针对机器人的平衡和速度跟踪控制采用较为成熟的LQR方法,达到预期的控制目标;对比已知模型条件下的PD控制方法,设计模糊自整定PID控制器获得跳跃模式下更好的控制效果;将CoppeliaSim(V-REP)与MATLAB相结合,对机器人进行三维运动仿真,最终实现了机器人在一个跳跃周期内的运动过程规划。本论文的研究工作对于可跳跃式两轮自平衡机器人的理论研究与工程实践具有一定的参考意义。

关键词：可跳跃式两轮自平衡机器人运动学建模动力学建模运动规划

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