轮腿式机器人转向及运动控制研究

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本文在重庆大学月球车的基础上对轮腿式机器人转向系统做进一步研究。通过对机器人转向结构设计,机器人平地定半径转弯,爬坡避障,爬坡转向姿态控制,定轨迹运动规划以及道路谱运动等进行了仿真,解决了原机器人采用四轮差速转向引起的转向不灵活问题。具体研究内容如下:  ①对轮腿式机器人转向结构进行建模,然后对转向结构进行有限元分析,校核转向结构应力及应变。对转向电机进行选型校核。并结合汽车转向原理,将Ackerman-Jeantand模型引入轮腿式机器人转向系统研究,得到转向过程各轮转速及转向电机转角的计算公式。并对轮的受力做了详细分析,计算出轮转向受到的总转向阻力矩。  ②将Soildworks模型导入Adams进行设置,单独运用Adams实现定半径平地转弯仿真,然后通过Adams与Matab联合仿真,引入PID对运动误差进行控制,实现了机器人在平面内的定半径匀速转弯。  ③对轮腿式机器人在爬坡过程中进行受力分析,然后对差速系数δ进行PID控制,并采用Switch嵌套的方式来控制转向电机的转角大小及方向,通过联合仿真实现了轮腿式机器人爬坡避障。在机器人爬坡转向防侧翻姿态控制方面首先对运动姿态进行分析得到各关节角度与质心运动姿态之间的关系,并对轮腿式机器人转向侧翻模型进行受力分析,计算STR值,结合ZMP算法,对机器人爬坡转向姿态运动进行仿真,提高机器人爬坡转向过程中的抗侧翻性能。  ④对机器人定曲线轨迹运动做了规划,首先让机器人在Adams里面走出一条运动轨迹曲线,对曲线坐标x,y进行曲线拟合,得到一条光顺的曲线作为轨迹曲线并得到曲线方程,将曲线方程输入Simulink的函数模块,并采用联合仿真实现定曲线轨迹运动。在道路谱仿真方面,将机器人模型导入Adams自带的3D路面谱进行仿真,更加接近机器人在实际道路上行驶的受力情况,得到机器人在道路谱上的运动位移及各轮所受力及力矩曲线。  本论文在对轮腿式机器人的转向研究方面,设计了一种轮腿式机器人转向结构,结合阿克曼转向理论及算法,使用Adams与Matlab联合仿真,实现了转向机理算法控制及运动仿真,通过不同路况的转向运动仿真分析验证了改进后机器人转向的灵活性、可控性和精确性。
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