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全对称球形机器人的设计、动力学分析及计算机仿真

作　者: 王广
导　师: 莫锦秋
学　校: 上海交通大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 球形机器人非完整系统动力学建模软件仿真
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

随着人类活动领域的扩大和探索过程的深化,常见的轮式、腿式、履带式移动机器人在某些恶劣的环境中已难以运用。球形机器人的特殊结构使之非常适合在缺少人为干预的恶劣环境(如外星球、野外等)中运用,其在恶劣环境下都可以保持系统的平衡与稳定,且不存在失稳状态,甚至即使是与静态或动态的障碍发生碰撞也可以在经过短暂的自身调整后恢复稳态。同时球形机器人既具有像轮式移动机器人的快速行走能力,又能像腿式机器人一样,在不平整的复杂地形中运动。针对目前相关研究的不足,本文提出一种完全对称结构的球形机器人。该球形机器人由两个电机驱动两组螺旋传动机构带动球壳滚动实现直线运动,并通过改变球内部分的重心位置来实现转弯。文中创建模型时将球壳与内部机构分离,把球内部分完全看成是球壳的驱动力,使理论分析得以合理简化,实现了利用力学的达朗贝尔-拉格朗日变分原理和非完整系统理论对球形机器人动力学的精确解算。然后根据具体运动情况分为六种工作状态在ADAMS中分别建模,并进行动力学仿真,从仿真结果可以看出对它的直线运动、转弯运动等原理分析是正确的,最后借助于ADAMS/Controls模块,将ADAMS/View建立的模型导入MATLAB/Simulink,实现了将控制信号引入ADAMS的机械系统,证明了联合仿真的可行性。

全文目录

摘要  7-8
ABSTRACT  8-9
第一章绪论  9-14
  1.1 机器人概述  9
  1.2 课题的研究背景  9-10
  1.3 国内外研究现状  10-13
  1.4 主要研究内容及论文各章安排  13-14
第二章球形机器人的设计  14-26
  2.1 方案设计  14-17
    2.1.1 二自由度摆臂驱动式球形机器人  14-15
    2.1.2 行星轮驱动球形机器人  15-16
    2.1.3 全对称球形机器人  16-17
  2.2 方案实施  17-19
  2.3 运动原理分析  19-21
    2.3.1 直线运动分析  19-20
    2.3.2 圆弧运动分析  20-21
  2.4 全对称球形机器人总体设计  21-25
  2.5 本章小结  25-26
第三章球形机器人的动力学分析  26-37
  3.1 非完整力学系统的数学建模  26-30
    3.1.1 完整约束与非完整约束  26-27
    3.1.2 准速度  27-28
    3.1.3 马基方程  28-30
  3.2 球形机器人运动模型的建立  30-36
    3.2.1 模型简化  30-31
    3.2.2 坐标系的建立  31-32
    3.2.3 “球-平面系统”约束方程分析  32-33
    3.2.4 动力学分析  33-36
  3.3 本章小结  36-37
第四章球形机器人的计算机仿真  37-58
  4.1 仿真软件ADAMS 简介  37-40
    4.1.1 ADAMS 的功能与特性  37-38
    4.1.2 虚拟样机设计过程  38-40
  4.2 球形机器人的仿真模型  40-41
    4.2.1 球形机器人的仿真原理  40
    4.2.2 模型建立  40-41
  4.3 球形机器人的计算机仿真  41-57
  4.4 本章小结  57-58
第五章球形机器人机电控制仿真  58-65
  5.1 机电一体化系统仿真分析  58-59
    5.1.1 概述  58-59
    5.1.2 机电系统仿真步骤  59
  5.2 球形机器人的机电控制仿真  59-65
    5.2.1 非完整系统的控制概况  59-60
    5.2.2 球形机器人系统的机电仿真  60-65
第六章总结与展望  65-66
  6.1 工作总结  65
  6.2 展望  65-66
致谢  66-67
参考文献  67-70
发表文献  70

全对称球形机器人的设计、动力学分析及计算机仿真

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