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轮腿移动机器人平台运动学和动力学分析

作　者: 冯晓阳
导　师: 张明路
学　校: 河北工业大学
专　业: 机械工程
关键词: 轮腿移动机器人 运动学分析 动力学分析 非平整地面
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


轮腿复合机器人由于既有轮式移动机器人的快速通过的特性，又有腿式机器人对复杂环境的强大的适应能力，逐渐成为当今移动机器人的主要的研究方向之一。本文设计了一种新型的轮腿式移动机器人平台。在平整路面上可相当于普通的轮式机器人行驶，在非平整路面上时又可通过前后轮腿和安装在机器人车体中部的调倾电机来跨越壕沟、障碍或者增强机器人的通过能力，能跨越相当于机器人车轮直径1.2倍高度的障碍，爬上40°的斜坡，并能在40°的侧斜面上顺利通过，并可实现坡上制动，具有较强的地形适应能力。本文首先介绍了轮腿复合机器人的结构特点。分析了机器人在不同环境下越障和跨越壕沟时的姿态的变化。对机器人的转向运动学进行了分析，并建立了机器人的运动学方程。在此基础上通过将非平整地面对机器人的影响等价为作用在机器人上的两个力，分析了机器人在非平整地面上的运动学问题。利用MATLAB模拟了几种典型地面分析了其对机器人运动的影响。然后对机器人进行了越障和转向的动力学分析。在越障中引用了几何包容的概念，并对其进行了分析，同时利用ADAMS软件中的设计研究工具对机器人几何包容与越障过程中能量的消耗之间的关系进行了分析。最后建立了机器人的二自由度模型，对机器人转向时的稳态和瞬态响应进行了分析，利用Simulink搭建了转向动力学方程的模型，并分析了稳态角速度增益变化，机器人的转向时横摆角速度的稳定值的变化和质心侧偏角阶跃响应。验证了机器人的结构能否满足机器人的转向要求。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-8
第一章 绪论  8-15
  §1-1 课题来源与研究背景  8
  §1-2 移动机器人发展概述  8-13
    1-2-1 国外移动机器人的研究现状  9-11
    1-2-2 国内轮腿式移动机器人的研究现状  11-13
  §1-3 机器人运动学和动力学分析研究现状及存在的问题  13-14
  §1-4 本文的的主要研究内容  14-15
第二章 轮腿式移动机器人平台的结构设计  15-24
  §2-1 引言  15
  §2-2 轮腿式移动机器人平台整体结构设计  15-16
  §2-3 轮腿式移动机器人平台前后轮腿初始张角的分析  16-19
    2-3-1 轮腿式移动机器人平台前轮腿初始角度的分析  16-17
    2-3-2 轮腿式移动机器人平台后轮腿初始角度的分析  17-19
  §2-4 轮腿式移动机器人平台行进策略和越坡性能分析  19-23
  §2-5 本章小结  23-24
第三章 轮腿式移动机器人平台运动学分析  24-43
  §3-1 引言  24
  §3-2 轮腿式移动机器人平台转向运动学分析  24-27
    3-2-1 轮腿式移动机器人平台转向运动学模型的建立  24-25
    3-2-2 轮腿式移动机器人平台运动学误差模型  25-27
  §3-3 考虑地面扰动力的轮腿式移动机器人平台运动学模型  27-31
    3-3-1 考虑扰动轮腿式移动机器人平台运动学模型的建立  27-29
    3-3-2 运动学模型仿真与结果分析  29-31
  §3-4 非平整地面轮腿式移动机器人控制初步研究  31-32
    3-4-1 问题描述  31
    3-4-2 轮一地面接触角估计  31-32
  §3-5 轮腿式移动机器人平台越障的几何包容条件  32-35
  §3-6 基于虚拟样机软件对几何包容条件的分析  35-40
  §3-7 雅可比矩阵的建立与分析  40-42
    3-7-1 雅可比矩阵的建立  40-41
    3-7-2 轮腿式移动机器人的末端速度与各关节速度之间的关系  41-42
  §3-8 本章小结  42-43
第四章 轮腿式移动机器人平台动力学分析  43-61
  §4-1 引言  43
  §4-2 轮腿式移动机器人越障整体动力学分析  43-47
  §4-3 轮腿式移动机器人轮腿系统的动力学分析  47-50
    4-3-1 轮腿式移动机器人轮腿系统动力学方程的建立  47-48
    4-3-2 轮腿式移动机器人轮腿系统控制模型的分析和仿真  48-50
  §4-4.轮腿式移动机器人的转向动力学分析  50-53
  §4-5. 轮腿式移动机器人转向性的分析  53-60
    4-5-1 轮腿式移动机器人转向模型  53-55
    4-5-2 轮腿式移动机器人转向稳态响应的分析  55-56
    4-5-3 轮腿式移动机器人转向瞬态响应分析  56-60
  §4-6 本章小结  60-61
第五章 结论与展望  61-62
参考文献  62-65
致谢  65

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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