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内外驱动兼备的球形机器人运动学及动力学研究

作　者: 李晓锋
导　师: 朱东波；李团结
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 球形机器人内外驱动静平衡越障性能动力学
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 98次
引　用: 1次
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内容摘要

球形机器人是一种新型的移动机器人,具有球形外壳,能够在失稳后获得最大的稳定性,不怕翻倒,可以实现全向滚动,转弯更加灵活。球形机器人是传统机器人运动方式的突破,是移动机器人研究领域的热点问题之一。目前的球形机器人大多为内部驱动,很难解决能源供给问题。为此,本文提出了一种内外驱动兼备的球形机器人,并对其进行了结构设计、越障性能分析、运动学和动力学分析方面的研究。首先介绍了球形机器人的发展现状,给出了目前球形机器人研究中遇到的主要问题。通过应用机器人重心偏移力偶驱动的方法,设计了一种内外驱动兼备的球形机器人装置。该球形机器人以外部风能驱动为主,以球体内部电机驱动为辅。运用空气动力学和静力学理论建立了机器人的静力学平衡方程,根据力矩平衡原理建立了描述该球形机器人越障运动性能的约束方程,得出了风速、地形倾角、障碍物高度、球体尺寸及重量等各物理参数之间的函数关系。基于广义欧拉角描述球形机器人的坐标变换,运用系统的动量矩定理,建立了球形机器人的运动模型。基于Lagrange-Routh方程和非完整约束理论,建立了该机器人平面运动的动力学模型,推导出了机器人的动力学运动微分方程。编制了运动分析程序,并进行了计算机仿真分析。最后,制作了内外驱动兼备的球形机器人的样机,通过样机测试,得到了一些实验数据,对机器人运动模型的正确性进行了验证。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-7
第一章绪论  7-13
  1.1 球形机器人简介  7-8
  1.2 内驱动球形机器人的研究现状  8-9
  1.3 外驱动球形机器人的研究现状  9-11
  1.4 本文的工作  11-13
第二章内外驱动兼备的球形机器人结构设计  13-23
  2.1 引言  13
  2.2 内外驱动兼备的球形机器人设计原理  13-14
  2.3 机器人结构模型设计  14-16
  2.4 主要零部件结构设计  16-20
    2.4.1 计算中轴丝杠所受剪力及弯矩  16-18
    2.4.2 确定中轴丝杠中径初值  18
    2.4.3 中轴丝杠的变形计算  18-19
    2.4.4 刚度校核  19-20
  2.5 机器人的许可配重  20-22
    2.5.1 风驱动下最大配重质量的计算  20-21
    2.5.2 电机驱动下最小配重质量的计算  21-22
    2.5.3 许可配重的选择  22
  2.6 本章小结  22-23
第三章球形机器人越障运动性能分析  23-49
  3.1 引言  23
  3.2 火星和地球的表面环境  23-24
  3.3 风力计算  24-27
    3.3.1 风力的计算表达  24-25
    3.3.2 风力系数的确定  25-26
    3.3.3 相似准则的确定  26-27
  3.4 风载荷下的静平衡分析计算  27-34
    3.4.1 风载荷下弹性球分析模型  27-29
    3.4.2 球体变形前后的内部压力及静平衡方程  29-30
    3.4.3 球体变形方程及简化模型分析  30-32
    3.4.4 滑动和滚动模型分析  32-34
  3.5 越障运动性能分析  34-48
    3.5.1 风驱动的球体越障性能分析  35-37
    3.5.2 内驱动的球体越障性能分析  37-39
    3.5.3 内外驱动兼备的球体越障性能分析  39-40
    3.5.4 越障性能分析比较  40-48
  3.6 本章小结  48-49
第四章球形机器人的动力学分析  49-65
  4.1 引言  49
  4.2 用广义欧拉角描述刚体定点转动  49-52
    4.2.1 广义欧拉角—卡尔丹角  49-50
    4.2.2 用卡尔丹角描述的坐标系变换矩阵  50-51
    4.2.3 刚体转动的角速度及角速度的合成  51-52
  4.3 基于动量矩定理的球形机器人运动模型  52-56
  4.4 球形机器人运动微分方程组求解及仿真分析  56-59
  4.5 基于Lagrange-routh方程的球形机器人运动模型  59-64
    4.5.1 广义力的求解  59-61
    4.5.2 系统动能的求解  61-62
    4.5.3 系统势能的求解  62
    4.5.4 球形机器人动力学方程的建立  62-64
  4.6 本章小结  64-65
第五章球形机器人样机试验  65-71
  5.1 引言  65
  5.2 球形机器人结构CAD模型  65-66
  5.3 机器人样机试验及分析  66-70
    5.3.1 试验说明  66
    5.3.2 样机试验及结果分析  66-70
  5.4 本章小结  70-71
结论  71-73
致谢  73-75
参考文献  75-77

内外驱动兼备的球形机器人运动学及动力学研究

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