《尺蠖型机器人动力学建模及控制方法研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《尺蠖型机器人动力学建模及控制方法研究（60页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘 要 尺镬型机器人属于仿生微小型机器人，它通过模仿尺嫂虫的运动机理， 能够在结构或非结构环境中进行推进运动。由于其具有体积小、运动灵活、 能够在狭小空间和危险环境下工作等特点，在军事和民用领域有广泛的应用 前景。因此，对其进行深入的研究是很有意义的。 本文针对一种四自由度的尺蟆型机器人对其进行了机构建模、动力学建 模，并在此基础上针对机器人的轨迹跟踪控制问题，基于滑模变结构的原 理，设计了该机器人的基于指数趋近律的 滑模变结构控制系统。 尺蝮型机器人的动力学建模和分析以及控制方法的研究是其研究中的重 点，因为这直接关系到机器人的设计和最终的实际应用。 机器人运
2、动学与动力学是机器人控制的基础。根据机器人学的理论建立 了尺蟆型机器人的笛卡尔坐标系，同时采用 P r o / E N G 工 N E E R三维建模软件进 行了尺蟆型机器人的机构建模与参数辨识，获得了其动力学参数;建立了基 于拉格朗日 一 欧拉方法的该机器人的动力学模型，为机器人的控制打下了基 础。 由于滑模变结构控制方法具有能够处理非线性问题，解祸设计，鲁棒性 强等特点，非常适合于具有强非线性，强祸合特点的尺蟆型机器人系统的控 制。针对尺镬型机器人的拉格朗日一欧拉动力学方程，设计了该机器人的滑 模变结构控制器，并且，选用了指数趋近律来改善控制系统的动态特性。 计算机仿真和实验结果表明了建模
3、的正确性以及滑模变结构控制方法对 于尺嫂型机器人系统控制的适用性。 关键词尺蝮型机器人:动力学建模;滑模变结构控制 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 Ab s t r a c t I n c h w o r m r o b o t b e l o n g s t o t h e t y p e o f m i n i a t u r e b i o - r o b o t . B a s e d o n t h e m o t i o n p r i n c i p l e o f i n c h w o r m , i t c a n c o m p l e t e w o r m i n g
4、 m o t i o n n o t o n l y i n s t r u c t u r e d e n v i r o n me n t a n d b u t u n s t r u c t u r e d e n v i r o n me n t a s we l l . C h a r a c t e r i z e d b y s m a l l v o l u m e a n d a g i l e m o v e me n t , i t c a n w a l k i n l i mi t e d s p a c e a n d d a n g e r o u s e n
5、v i r o n m e n t . I t c a n a c t a s i m p o r t a n t r o l e i n m i l i t a ry a n d c i v i l a r e a s . S o i t h a s g r e a t s i g n i f i c a n c e o f r e s e a r c h i n g o n it . T h i s p a p e r r e s e a r c h e s i n t h e m e c h a n i c a l a n d d y n a m i c m o d e l i n g
6、o f a i n c h w o r m r o b o t w i t h f o u r d e g r e e s o f fr e e d o m . F u r t h e r , b u i l d a s l i d i n g m o d e c o n t r o l m o d e l b ase d o n e x p o n e n t i a l l y r e a c h i n g l a w o f t h e r o b o t . D y n a m i c s m o d e l i n g a n d r e s e a r c h o n t h e
7、 c o n t r o l a l g o r i t h m o f t h e r o b o t h a v e t r e m e n d o u s e ff e c t o n t h e d e s i g n a n d t h e a c t u a l p e r f o r m a n c e . K i n e t i c s a n d d y n a m i c s o f t h e r o b o t p r o v i d e d t h e f o u n d a t i o n f o r t h e c o n t r o l a l g o r i
8、t h m o f i t . I n t h e p a p e r , f i r s t l y , t h e C a r t e s i a n c o o r d i n a t e s i s e s t a b l i s h e d b y a p p l y in g t h e r o b o t i c s t h e o r y , a n d t h e m e c h a n i c a l m o d e l o f t h e r o b o t i s b u i lt b y u s i n g t h e s o f t w a r e o f P r
9、o / E N G I N E E R ; b a s e d o n t h i s , t h e d y n a mi c p a r a m e t e r s o f t h e i n c h w o r m r o b o t a r e o b t a i n e d . A n d t h e e s t a b l i s h m e n t o f t h e d y n a m i c s o f t h e i n c h w o r m r o b o t u s i n g L a g r a n g e - E u l e r m e t h o d p a v
10、 e d t h e w a y f o r t h e r e s e a r c h o n c o n t r o l a l g o r i t h m D u e t o i t s a b i l i t y o f d e a l i n g w i t h n o n l i n e a r s y s t e m s a n d d e c o u p l i n g , a n d g o o d r o b u s t q u a l i t y , t h e s l i d i n g m o d e c o n t r o l i s v e r y s u i t
11、 a b l e f o r t h e c o n t r o l o f t h e i n c h w o r m r o b o t s y s t e m . B a s e d o n t h e L a g r a n g e - E u l e r e q u a t i o n o f t h e r o b o t , t h e s l i d i n g m o d e c o n t r o l l e r o f i t i s e s t a b l i s h e d . A n d e x p o n e n t i a l l y r e a c h i n
12、 g l a w i s p r o p o s e d t o i m p r o v e t h e d y n a m i c p e r f o r m a n c e o f t h e c o n t r o l s y s t e m . F i n a l l y , t o p r o v e t h e e ff e c t i v e n e s s o f t h e p r e s e n t e d m e t h o d , n u m e r i c a l s i m u l a t i o n a n d p h y s i c a l e x p e r
13、i m e n t h a v e b e e n c a r r i e d o u t . T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e p r e s e n t e d m e t h o d i s e ff e c t i v e a n d t h e s l i d i n g m o d e c o n t r o l m e t h o d i s a v a i l a b l e t o c o n t r o l t h e t r a j e c t o ry t r a c k i n g o f t h e i n c h
14、w o r m r o b o t K e y w o r d s I n c h w o r m r o b o t , D y n a m i c m o d e l i n g , s l i d i n g mo d e c o n t r o l 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第1 章 绪论 1 . 1 引言 自 然界在亿万年的演化过程中孕育了各种各样的生物，每种生物都拥有 神奇的特性与功能，能够在复杂多变的环境中生存下来。因此，通过研究学 习、模仿来复制和再造某些生物特性和功能，将极大的提高人类对自 然的适 应和改造能力，产生巨 大的社会经济效益。2 0 世纪6 0 年代初诞生的
15、仿生学， 是生物科学和工程技术相结合的一门边缘学科，通过学习、模仿、复制和再 造生物系统的结构、功能、工作原理及控制机制，来改进现有的或创造新的 机械、仪器、建筑和工艺过程。现代仿生学己经延伸到很多领域，机器人学 是其主要的结合和应用领域之一，出现了仿人、仿昆虫类的多种机器人形 式。这方面的研究引起各国相关研究人员和专家的极大兴趣和关注，取得了 大量可喜成果和积极进展 11 。 仿昆虫类机器人的主要研究问题包括如下五个方面:建模问题;控制优 化问 题;信息融合问题;机构设计问 题;微传感和微驱动问 题【Z 。 其中， 机 器人的动力学建模和分析及其控制问题是机器人研究开发的重要基础，这直 接关
16、系到机器人的设计和机器人的动态性能。 本文结合 “ 哈尔滨工业大学科学研究基金” 项目: “ 尺蟆型仿生机器人 系统研究”，对哈尔滨工业大学机器人研究所研制的尺镬型机器人的动力学 建模和控制方法进行了较深入的研究，并取得了一些成果。 1 . 2 尺蟆类仿生机器人研究现状 尺蟆类仿生机器人是一种模仿自然界的尺嫂虫运动机理的能够进行蠕 动爬行的仿生机器人。针对尺蟆原理的仿生机器人，各国学者从机构设 计、运动规划等方面进行了广泛的研究，并获得了一定的成果。 早在 9 0年代初，日本的安田隆、下山勋等人就进行了微型尺蟆机构的 开发，目前日本又研制出能在发电站、核电站中转折弯曲的管道里自由移 动，直径仅仅 5 . 5 m m的 “ 尺镬虫” 。它带有微型C C D摄像机，能检测最小内 径为 I O m m的管道的内表面，并通过无线电传输图像信号7 。立姬路工业大 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 预定的性能规范保持机器人的动态响应。虽然这种控制问题说起来简单，但 解决办法却因惯性力、祸合反应力和杆件上重力负载的而复杂化。一般的说 这种控制问题分为两部分:( 1 )求得机器人的动态模型;
