机器底盘分析研究.docx
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机器底盘分析研究
电子与信息工程学院
机器人控制技术课程
研究报告
论文题目铰接式机器人底盘的分析与研究
学生
学号
专业电气工程及其自动化
班级
任课教师
2012年6月
摘要:
机器人底盘分析是机器人学研究领域中的重点容。
它涉及到了机器人的各方各面。
同时也对我我们的研究提出了更为严格的要求。
通过对铰接式机器人的底盘的分析,指出了运动学、动力学在机器人方面的作用,并对它的发展做出了展望。
关键词:
机器人;路径规划;运动学;动力学;控制系统;
ABSTRACT:
Robotchassisanalysisisinthefieldofroboticsresearchkeycontent.Itinvolvedpartiesfaceeachrobot.Atthesametime,doIourstudyproposedamorestrictrequirements.Throughtotheanalysisoftherobotarticulatedchassis,pointsoutthekinematicsanddynamicsoftherobot,andtheeffectofthedevelopmentofitmadeaprospect
keywords:
robots;Pathplanning;kinematics;dynamics;Controlsystem;
.
1绪论
1.1意义
机器人的应用围已遍布人类日常生活的各个领域,机器人的使用不仅可以帮助人们摆脱一系类的危险作业,还为人类提供了各种方便,同时减轻了人们的劳动强度,提高了劳动生产率,改善了产品的质量。
尽管目前的机器人还没有人们想的那么强大,但它的技术已广泛使用,它的应用正逐渐改变着人们的生活。
在不久的将来,机器人很有可能将成为人类的得力助手,成为人类朝夕相处的可靠伙伴。
所以对机器人的研究已成为我们迫切的需求。
1.2容
铰接式机器人底盘的分析涉及多个领域的知识,对它的研究主要包括以下几个方面:
1.路径规划的研究
2.运动学的研究
3.动力学的研究
4.控制系统的研究
5.传感系统的研究
1.3研究现状
随着机器人技术的不断进步,机器人学科越来越具有强大的生命力,它在某种程度上已经代表当今信息技术、自动化技术、系统集成等技术的最新发展。
国在移动机器人的研究起步较晚,大多数研究尚处于某个单项研究阶段,主要的研究工作有:
清华大学智能移动机器人于1994年通过鉴定。
城市大学智能设计、自动化及制造研究中心的自动导航车和服务机器人。
中国科学院自动化研究所的AGV和防爆机器人。
中国科学院自动化所自行设计、制造的全方位移动式机器人视觉导航系统。
清华大学于2003年7月研制成功的THMR-V智能车等。
2铰接式机器人底盘介绍
2.1铰接式机器人底盘图如下所示:
底盘俯视图:
底盘主视图:
底盘左视图:
2.2底盘构造:
从铰接式机器人底盘的图纸我们可以清楚了解该底盘的各种运动机构,以及它们的工作原理。
该底盘是四轮移动式机器人,通过后轮的两个小电机的驱动来使机器人能够沿各方向运动。
通过图纸可以发现前轮和后轮的连接是通过电机组成的一个铰接结构。
它们在构造上组成了两个连杆机构,为小车的转弯提供了良好的技术支持。
3路径规划
3.1路径规划的意义:
路径规划是指移动机器人按照某一性能指标(如距离、时间、能量等)搜索一条从起始状态到
目标状态的最优或次优路径。
路径规划主要涉及的问题包括:
利用获得的移动机器人环境信息建立较为合理的模型,再用某种算法寻找一条从起始状态到目标状态的最优或近似最优的无碰撞路径;能够处理环境模型中的不确定因素和路径跟踪中出现的误差,使外界物体对机器人的影响降到最小;如何利用已知的所有信息来引导机器人的动作,从而得到相对更优的行为决策
3.2路径规划的方法:
3.2.1基于栅格法
栅格法将机器人规划空间分解成一系列的具有二值信息的网络单元,工作空问分解成单元后则使用启发式算法在单元中搜索安全路径。
搜索过程多采用四叉树或八又树表示工作空间。
栅格的一致性和规性使得栅格空间中邻接关系的简单化。
赋予每个栅格一个通行因子后,路径规划问题就变成在栅格网上寻求两个栅格节点问的最优路径问题。
栅格法以基本元素为最小栅格粒度,将地图进行栅格划分,基本元素位于自由区取值为0.处在障碍物区或包含障碍物区为l,这样在计算机中建立一幅可用于路径规划的地图。
在进行路径规划时,采用栅格(grid)为基本单位表示环境信息。
栅格的大小通常与机器人的移动步长相适应,即机器人的移动就可以转化为从一个完全可行栅格移动到另外一个完全可行栅格。
根据栅格与不可行区域的交集,可将栅格分为三种:
(1)完全可行栅格,栅格所有区域都是安全可行的。
(2)完全不可行栅格,栅格的所有区域都不是安全可行的
(3)不完全可行栅格,栅格的一部分区域是安全可行的,另一部分区域不是安全可行的
(一)算法有效性的仿真结果如下所示:
(二)路径搜索流程图如下所示:
3.2.2基于事例的学习规划方法
基于事例的学习规划方法依靠过去的经验进行学习及问题求解,个新的事例可以通过修改事例库中与当前情况相似的旧的事例来获得J。
将其应用于移动机器人的路径规划中可以描述为:
首先,利用路径规划所用到的或已产生的信息建立一个事例库,库中的任一事例包含每一次规划时的环境信息和路径信息,这些事例可以通过特定的索引取得;随后,将由当前规划任务和环境信息产生的事例与事例库中的事例进行匹配,以寻找出一个最优匹配事例,然后对该事例进行修正,并以此作为最后的结果。
移动机器人导航需要良好的自适应性和稳定性,而基于事例的方法能满足这个需求。
RamA【5将基于事例的在线匹配和增强式学习相结合,提高了机器人的自适应性能,较好地适应了环境的变化。
利用基于事例的方法时要注意保持事例库中的事例数量,以防止增加机器人在线规划时间或产生信息爆炸问题。
MarefatM_6把基于事例的方法作为一个特征辅助规划与全局规划结合从而提高了全局规划的效率。
KruusmaaM_7通过创建种群事例库在理论上覆盖了关于路径搜寻问题所有可能的路径解空间,克服了启发式搜索方法在此方面的缺陷
4运动学分析
4.1运动学分析的简介:
机器人运动即机器人各杆件作为刚体的一般运动.运动刚体的角位移不满足矢量的叠加性,故而不成其为矢量。
这就给刚体、自然也给机器人运动分析和动力学建模带来种种不便.我们无法象求解质点线速度矢那样先求得一个位移矢,该矢的导数等于刚体转动的角速度矢:
甚至刚体转动角速度矢的定义式中角位移增量矢的确切表达式也难以给出。
我们可以注意到,以往求解刚体或机器人杆件角速度矢通常采用虽直观但非严格的图解法或虽严格但非紧凑的递推法,都没有直接利用其旋转矩阵的导数矩阵。
这也许是导致刚体或机器人运动分析和动力学建模过于繁琐的原因之一,而以往的分析和建模理论似乎一直忽略了这一点。
事实上,附连于刚体或机器人杆件的坐标系一经确定,刚体或杆件的转动便由其旋转矩阵完全确定,即角速度矢的信息完全包含于旋转矩阵中。
由此我们推断,剐体或杆件的角速度矢可以由其旋转矩阵的元素和元素的导数确定,因而可以且有必要确立一种即非图解也非递推的利用旋转矩阵和其导数矩阵的直接求解方法,以补充以往理论之不足,使分析和建模过程简明化。
4.2一组等式推证:
考虑定点运动刚体.设静坐标系f}和附于刚体的动坐标系f㈣的原点与定点重合;系
{}各轴的单位矢为、;系{B}各轴的单位矢、、在系(}中的表示为:
则刚体相对)的旋转矩阵为R(0,是正交矩阵.以下简记R=R(£),rfJ=r(f)。
4.2.1旋转矩阵与其导数矩降的等式
同理可证(3)式,证毕.
4.2.2角位移增量矢和角速度矢与旋转矩阵行、列向量的关系式
为求刚体f时刻的角位移增量矢,先求其£时刻的旋转增量矩阵.由
(1)式有
到的是旋转矩阵列运算,后者涉及到的是旋转矩阵行运算.
5动力学分析
5.1动力分析建模:
在进行机器人动力学建模分析之前,可作如下假设:
(1)运动过程中,滚轮与地面始终保持接触;
(2)地面有合适的摩擦系数,使滚轮法向无滑动切向纯滚动;(3)在运动中,左后滚轮和右后滚轮的方向角调整完全同步,左后腿和右后腿的摆动完全同步;(4)电机有足够的驱动功率和驱动力矩。
假设
(2)为系统引人了完整约束和非完整约束,使溜冰机器人成为非完整系统。
可以使用约束结合或嵌人方法对这些非完整约束进行处理。
以约束结合方法进行非完整动力学建模的Routh方程增加了待定乘子和方程数目;而使用约束嵌人方法对非完整约束进行处理的Maggi方程可直接使用系统的自由度实现非完整系统最少数目运动微分方程的的动力学动态描述。
对于一个具有n个广义坐标和k个非完整约束的非完整系统,其自由度为n—k。
可以采用如下式所示的非完整约束力形式的Mag方程对系统进行动力学建模
下面以溜冰机器人滞后式转弯‘为例,用Maggi方程分析溜冰机器人的动力学性能。
选择以下参数:
、Y、、腿摆角di(i=1,2,3,4)、滚轮方向角卢。
(i=1,2,3,4)、滚轮转角0(i=1,2,3,4)以及机器人本体绕轴的转角,和绕Y轴的转角,为广义坐标。
其中选择、y、、d(i=1,2,3)和晟(i=1,2,3,4)为系统的准坐标。
同时,设定如下的系统参数:
总质量肘,本体质量m。
,机械腿质量m,滚轮质量m。
,机械腿转动惯量‘,上部驱动电机等效驱动力矩,下部驱动电机驱动力矩,滚轮摆动阻力矩,等效到下驱动电机转轴上的转动惯量,,,滚轮半径,绕水平转轴的转动惯量L、腿摆角a、摆动角速度a、摆动角加速度&、滚轮摆角、摆动角速度卢|、摆动角加速度、滚轮转角、角速度、角加速度0j、本体(上顶板)绕轴、绕Y轴的转动惯量和。
溜冰机器人的参数约束和多余坐标约束等完整约束分
别由下式确定,即
可见,溜冰机器人的完整约束均为其坐标空间的位置协调函数。
同时,由假设
(2)得到溜冰机器人的速度空间协调函数,即非完整约束由下式确定],即
在考虑机器人平动动能、腿摆动动能、滚轮转动动能和摆动动能以及顶板左右和前后俯仰运动动能条件下,系统
总动能可以写为如下形式,即
为精确建模,可将系统分解为顶板质量和各腿质量等五部分质量。
那么,与广义坐标相对应的广义力分别为
选择机器人后腿摆角位置a为参变量。
由力矩平衡,可得每个滚轮所受的支持力为
5.2转弯时的动力学解耦与求解:
由于溜冰机器人运动的基本动作为直线滑行和转弯,而直线滑行又可看作转弯滑行在转弯半径无穷大时的特例。
对如图3
所示的转弯滑行运动进行研究即可以定性和定量地分析机器人的动力学性能。
首先进行坐标变换
转弯示意图如上图所示:
且’,从过速度瞬心的水平线顺时针计起.将式(4JD)代人式(22),可得溜冰机器人转弯时的动力学运动微分方程
若考虑控制系统延迟时问r=0.1S,则机器人转弯时的等效驱动力如图4所示。
等效驱动力F,,不但随滚轮方向角的周期性调整时变,更由于机械腿存在摆动角加速度使其变化规律更加复杂。
同时,因控制系统延迟时问r的影响,机械腿和滚轮在达到极限位置时存在“状态延迟”,而使广义驱动力在此时刻存在瞬变现象。
若取At=0.001S,在初速度和加速度都为零条件下,铰接式机器人第一个运动周期腿和滚轮单独调节和同时调
节方式下的角速度如图5中的Line。
和Line:
所示。
以上对6自由度Stewart平台位置正解问题的计算结果表明,本文提出的计算方法是有效的。
在预先规定非线性约束方程的解空间后,算法能够在解空间对非线性约束方程组的解进行全局搜索,最后得出的所有6组解均控制在规定精度以。
6运动控制系统分析
6.1控制系统总体结构分析:
通过分析直流电机的运动方程可知,电机加速度与其转矩成正比,而转矩又与其电流成正比,因此,要实现电机的高精度高动态性能控制,就需要同时对电机的速度、电流以及位置进行检测和控制。
系统中包括位置检测环节和电流检测环节,分别检测电机的转速和电流。
系统的硬件电路主要包括DSP系统、功率驱动电路、隔离电路、位置检测电路和电流检测电路。
系统的结构原理如图1所示。
6.2速度闭环控制:
根据输入的设定值和反馈量形成偏差,经过一系列数字化调整形成PWM占空比的控制量,以此控制伺服电机的转动速度或速度的变化。
速度闭环控制主要负责机器人行走速度和除冰时的速度变化控制。
图2为无刷直流电机速度电流双闭环
控制系统。
对BLDCM形成速度闭环控制时,通过光电编码器检测电机的转动方向及转角并反馈回DSP系统。
信号;
为电机直流端电压;E为电机相反电动势幅值;
为电机相电流;n为电机的真实转速。
6.3系统硬件分析:
6.3.1相电流检测
由于功率电子主回路采用两两通电方式。
任意时刻电流仅流入三相绕组中的两相,所以只需1个相电流检测传感器即可完成相电流的检测。
使用旁路电阻检测各相电流。
该电阻位于三相全控功率变换电路的下端功率桥臂与地之间,同时起过电流保护作用。
电阻上的压降信号经过放大以后,送到TMS320F2407片上的A/D转换通道,经过A/D转换得到合适的电流信号。
A/D转换结束以后,A/D转换模块会向CPU发出中断请求信号,等待CPU对电流信号的检测。
最后根据电流误差,在每个PWM周期开始时,对PWM脉冲的占空比进行调节[6]。
6.3.2转子位置与转速检测
选用TMS320LF2407A实现三相无刷直流电机调速的控制和驱动电路。
使用3个位置间隔120。
分布的霍尔传感器,由霍尔器件所输出的转子位置信号送到功率变换电路后,直接送至TMS320LF2407A的捕获单元进行处理。
检测3个捕获口的状态可以得到当前3路位置信号的组合状态,从而得到转子位置。
捕获口CAP1~CAP3捕获到的每一次跳变引发一次捕获中断,转子每转过一转,产生6次捕获中断。
通过测量相邻2次中断时间间隔得出电机转速。
6.3.3驱动电路设计
电机控制驱动器采用IR213O芯片。
IR2130芯片控制6个功率管导通和关断顺序,实现控制电机的正反转。
此驱动芯片本身给功率器件提供过电压保护。
其部含有逻辑保护电路,当出现对级直通逻辑,芯片立即全部输出低电平,关断所有MOSFET管。
另外,功率回路保护器件中有检测电阻,电流过大时,检测信号经过逻辑判断,将PDPINT置为低电平,DSP部计数器停止计数,所有PWM输出低电平,关断驱动电路,实现过电流保护。
7结论与展望
铰接式机器人主要采用的是前轮部分与后轮部分通过连杆形式衔接而成的一种移动机器人。
它具有转向方便,移动灵活的特点。
对它的研究能够为我们的生活带来极大的方便。
更能够指引我们向更好的方向发展。
机器人的发展从无到有,从低级到高级,随着科学技术的进步而不断深入发展。
移动机器人的未来是朝智能化,情感化发展,最后达到人机共存的社会。
影响移动机器人发展的因素主要有:
导航与定位,多传感器信息的融合,多机器人协调与控制策略等。
因而移动机器人技术发展趋势主要包括:
(1)高智能情感机器人随着科学技术的发展,具有人类智能的情感移动机器人移动机器人未来发展趋势。
目前移动机器人具有部分智能,因而正处于类人智能机器人研制阶段。
类人智能机器人的核心技术是机器人对智能的理解,因而只有人工智能的突破,才能真正实现类人智能机器人。
情感机器人应该是机器人发展的最高阶段,它具有情感的理解。
要研制情感机器人的关键是人工智能的突破和机器脑的研制等。
尽管高智能情感机器人的实现任务非常艰巨,但是我们有理由相信:
随着人工智能技术的突破,它最终一定能实现。
(2)多机器人分散系统目前多机器人分散系统的研究尚处于理论实验阶段,多机器人系统结构和协作机制,信息交互以及导航等方面是多机器人分散系统的研究重点。
(3)网络机器人随着计算机互联网技术不断发展,网络机器人也就随之产生。
网络机器人是通过计算机网络遥控机器人。
人机交互技术,远程监控技术,数据传输和通信是研究的重点。
(4)基于视觉导航移动机器人导航与定位始终是移动机器人的核心技术之一。
基于非结构化环境视觉导航是移动机器人导航研究趋势。
研究出一种快速,实时的图像处理算法是关键。
可以用细胞神经网(CNN)硬件电路来实现图像处理,优点是快速、实时。
(5)特种移动机器人根据不同应用领域,研制各种各样特种移动机器人是未来发展方向,如纳米机器人,手术机器人,助残机器人,军用机器人,服务机器人,娱乐机器人等。
参考文献
[1]磊,叶涛,谭民,等.移动机器人技术研究现状与未来[J].机器人,2OO2,24(5):
475-48O社,1988.
[2]壬雇树.机器人运动学与动力学.:
电子科技大学、1990
[1]庆阳等.非线性方程组的数值解法[M].:
科学.1999
[3]宋立博.从动轮式溜冰机器人运动学与动力学研究[D].:
交通大学,2002
[4]梅风翔.非完整系统力学基础[M].:
工业学院,1985
[5]唐智慧.智能记录仪及耗电量评价指导系统[J]_交通运输工程
与信息学报,2005,3(4):
22—27.
[6]鸿剑,志坤.电力机车用电分段计量系统[J].机车电传动,
2005
(2):
73—74
[7]徐,谭民.移动机器人的发展现状及其趋势[J].机器人技术与应用,2001,(3):
7-8.
[8]新松.未来移动机器人将是21世纪技术发展的热点.中国机械工程,2000,12(11):
58-60.
[9]吴功平,肖晓辉。
基于DSP的高压巡线机器人伺服控制系统[J].电力电子技术
[10]闫晶.周浚哲.喜梅基于DSP的智能小车避障系统设计[期刊论文]-理工大学学报2008(01)
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