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带臂球形机器人关键技术的研究

作　者: 曹骁炜
导　师: 孙汉旭；贾庆轩
学　校: 北京邮电大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 带臂球形机器人结构设计控制系统避障及路径规划
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 206次
引　用: 2次
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内容摘要

本论文以国家863《一种带伸缩臂的全方位滚动球形机器人的研制》(课题编号:2006AA04Z243)项目为背景,以球形移动机器人为基础,对带臂球形机器人系统进行了设计,包括了结构设计,控制系统设计,稳定平衡分析,并且提出了一种新颖移动机器人避障及多机器人协同路径规划算法。本文首先介绍了球形机器人的国内外发展状况,并介绍了移动机器人控制系统的现状以及移动机器人避障及路径规划算法的研究现状。在带臂球形机器人结构设计中,将带臂球形机器人分为运动驱动部分,机械臂部分,支撑稳定部分三个子部分进设计,通过比较待选方案,得出最后的整体方案,然后对各个部分的尺寸进行估计,然后通过实际的设计调整确定最后的设计尺寸并给出了基本的性能指标。在本章中,还根据驱动执行部件的需求,对驱动电机及减速器进行了选型。在带臂球形机器人控制系统设计中,首先对带臂球形机器人的控制系统进行设计,通过方案比较,最终选择分布式ARM控制系统方案并进行系统设计,然后从传感器,通信方式两个方面出发,对系统控制需求进行分析和器件选型。在带臂球形机器人运动学动力学分析中,首先介绍了球形机器人的圆盘模型,然后在圆盘模型的基础上对带臂球形机器人的稳定状态控制进行了分析,得出了当支撑装置不支开的时候,为了保持整个带臂球形机器人的平衡状态,抓取状态与重摆姿态的关系;以及在不同的滚动摩阻下,带臂球形机器人从非平衡状态回复到平衡状态的特征,并通过实验数据对性质进行了验证。在移动机器人避障及路径规划研究中,提出了一种全新的基于虚拟机械臂模型的移动机器人避障和多机器人全局路径规划的算法,并对算法进行了分析和仿真验证。在论文的最后,对整个的带臂球形机器人的设计工作进行了全面的总结。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-17
  1.1 引言  9-10
  1.2 球形机器人构型国内外研究概况  10-13
  1.3 机器人控制系统现状  13-15
    1.3.1.机器人控制器系统  14-15
    1.3.2.机器人传感及执行系统  15
  1.4 移动机器人避障及路径规划研究现状  15
  1.5 本文的研究内容  15-17
第2章带臂球形机器人结构设计  17-41
  2.1 运动驱动部分设计  17-18
  2.2 机械臂部分设计  18-20
    2.2.1.伸缩臂方式  18-19
    2.2.2.多关节机械臂方式  19-20
    2.2.3.机械臂部分选择  20
  2.3 支撑部分设计  20-21
    2.3.1.支架式  20-21
    2.3.2.升降盖方式  21
    2.3.3.支撑方式选择  21
  2.4 完整结构设计  21-33
    2.4.1.带臂球形机器人关键尺寸设计  21-24
    2.4.2.机械臂平台部分  24-29
    2.4.3.支撑稳定机构部分  29-33
  2.5 驱动执行部件选型  33-38
    2.5.1.驱动执行系统需求分析  33-34
    2.5.2.驱动执行系统选型  34-38
  2.6 带臂球形机器人最终方案  38-40
  2.7 本章小结  40-41
第3章带臂球形机器人控制系统设计  41-56
  3.1 带臂球形机器人控制系统特点  41-44
    3.1.1.带臂球形机器人控制系统与BYQ-Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ型球形机器人控制系统区别  41-44
  3.2 球形机器人本体控制系统整体方案设计  44-51
    3.2.1.内框系统模块系统结构  45-46
    3.2.2.手臂系统控制模块系统结构  46-47
    3.2.3.球壳系统控制模块系统结构  47-48
    3.2.4.控制系统结构设计  48-49
    3.2.5.控制板选择  49-50
    3.2.6.分布式ARM控制系统方案  50-51
  3.3 传感器选型  51-54
    3.3.1.传感器需求分析  51-52
    3.3.2.传感器选择  52-54
  3.4 通信方式设计  54
  3.5 主要设备和器件  54-55
  3.6 本章小结  55-56
第4章带臂球形机器人运动学动力学分析  56-67
  4.1 球形机器人的圆盘模型  56-59
  4.2 带臂球形机器人稳定控制  59-66
    4.2.1.静态平衡  59-63
    4.2.2.动态平衡  63-66
  4.3 本章小结  66-67
第5章移动机器人避障及路径规划方法研究  67-80
  5.1 移动机器人避障问题描述分析  67-70
    5.1.1.移动机器人避障问题  67-68
    5.1.2.机械臂设计问题  68-69
    5.1.3.两问题相似点  69-70
  5.2 多机器人协同路径规划问题  70-73
    5.2.1.多机器人路径规划  70-71
    5.2.2.多连杆机械臂  71-72
    5.2.3.两问题的联系分析  72-73
  5.3 虚拟机械臂方法  73-79
    5.3.1.单机器人避障问题仿真  73-76
    5.3.2.多机器人协同路径规划问题仿真  76-79
  5.4 本章小结  79-80
第6章结论  80-81
参考文献  81-84
致谢  84-85
硕士期间发表论文  85

带臂球形机器人关键技术的研究

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