球形機器人驅動原理及控制策略

本書對目前球形機器人的研究現狀進行了歸納、分析，對球形機器人的驅動原理、力學模型、控制策略等進行了深入的研究，設計了三種新型全方位運動球形機器人，即電磁驅動球形機器人、流體驅動球形機器人和離合式半球差動球形機器人，對其滾動條件、越障能力、爬坡能力、滑動條件、轉彎特性等進行了簡要的靜力學分析研究；建立了球形機器人的運動學方程，推導出其無滑動的滾動運動的約束方程；分別在球形機器人運動學方程和動力學方程的基礎上，合理選擇了系統的滑模切麵函數、建立了運動學和動力學的“滑模控制”策略，並在MATLAB-Simulink 的環境下，對所建立的控制策略進行了模擬實驗研究；搭建了球形機器人的內部控制系統平臺，對球形機器人軌跡跟蹤的控制策略進行了理論分析和實驗研究；同時，基於ADAMS虛擬樣機技術，對球形機器人的性能進行了模擬實驗研究，以進一步驗證本書結構設計及控制策略的正確性。

第1章 緒論 1
1．1　研究背景 1
1．2　球形機器人特點及應用 2
1．3　國內外球形機器人研究現狀 3
1．3．1 外驅球形機器人 4
1．3．2 內驅球形機器人 6
1．4　球形機器人研究的核心問題 15
1．5　研究內容和技術路線 16
1．5．1 本書研究內容和技術路線 16
1．5．2 研究內容安排 17
第2章 球形機器人電磁驅動原理及性能研究 19
2．1　內驅球形機器人的原理及分類 19
2．2　球形機器人的設計原則 20
2．3　電磁驅動球形機器人驅動原理及結構設計 21
2．3．1 單電磁線圈驅動球形機器人方案設計 21
2．3．2 雙電磁線圈驅動球形機器人方案設計 23
2．4　電磁驅動球形機器人運動性能分析 25
2．4．1 球形機器人各部件質量 25
2．4．2 球形機器人滾動條件 26
2．4．3 球形機器人的加速度 29
2．4．4 球形機器人越障能力分析 30
2．4．5 球形機器人爬坡能力分析 32
2．5　球形機器人滑動現象分析 34
2．5．1 球形機器人在平面運動的滑動條件 34
2．5．2 球形機器人在斜坡面上運動的滑動條件 35
2．6　球形機器人轉彎性能分析 38
2．7　本章小結 40
第3章 球形機器人流體驅動原理及性能研究 42
3．1　流體驅動球形機器人驅動原理及結構設計 42
3．1．1 流體驅動球形機器人整體方案設計 42
3．1．2 流體驅動球形機器人轉彎機構 43
3．1．3 軸流裝置 44
3．2　流體環參數計算 46
3．2．1 流體環質量 46
3．2．2 流體環轉動慣量 47
3．2．3 等效擺長度 48
3．3　流體驅動球形機器人運動性能分析 49
3．3．1 流體驅動球形機器人各部件參數 49
3．3．2 流體驅動球形機器人的滾動條件 50
3．3．3 流體驅動球形機器人的加速度 51
3．3．4 流體驅動球形機器人越障能力分析 52
3．3．5 流體驅動球形機器人爬坡能力分析 53
3．4　流體驅動球形機器人其他參數分析、計算 54
3．5　本章小結 56
第4章 離合式半球差動球形機器人的設計與分析 58
4．1　離合式半球差動電磁驅動球形機器人方案設計 58
4．1．1 離合式半球差動電磁驅動球形機器人整體方案設計 58
4．1．2 電磁驅動部件設計 60
4．1．3 離合部件設計 62
4．1．4 離合原理及實現 63
4．1．5 離合式半球差動電磁驅動球形機器人特點 67
4．2　離合式半球差動流體驅動球形機器人方案簡介 67
4．3　離合式半球差動球形機器人運動性能分析 69
4．3．1 離合式半球差動球形機器人各部件參數 69
4．3．2 離合式半球差動球形機器人的滾動條件 70
4．3．3 離合式半球差動球形機器人的加速度 72
4．3．4 離合式半球差動球形機器人越障及爬坡能力 74
4．4　離合式半球差動球形機器人的滑動現象研究 74
4．5　離合式半球差動球形機器人的轉彎半徑分析 77
4．6　本章小結 79
第5章 球形機器人運動學、動力學分析 81
5．1　球形機器人運動學、動力學分析現狀 81
5．2　運動學、動力學相關理論 83
5．2．1 非完整約束系統 83
5．2．2 動力學普遍方程 84
5．2．3 歐拉角與坐標變換 85
5．3　球形機器人運動學方程的建立 86
5．4　球形機器人動力學方程的廣義歐拉角描述 89
5．4．1 球形機器人位姿參數的廣義歐拉角描述 89
5．4．2 球形機器人動力學方程的廣義歐拉角描述 90
5．5　球形機器人直行與轉彎的分離研究 91
5．5．1 球形機器人直線行走動力學方程 92
5．5．2 球形機器人爬坡運動的動力學方程 94
5．5．3 球形機器人轉彎運動的動力學方程 95
5．5．4 球形機器人轉彎半徑的探討 96
5．6　本章小結 100
第6章 球形機器人控制策略的研究 101
6．1　球形機器人控制策略研究現狀 101
6．2　滑模變結構控制原理 102
6．2．1 滑模變結構控制定義 102
6．2．2 滑模變結構控制器設計步驟 104
6．2．3 滑模變結構控制器的抖振現象分析 105
6．3　基於球形機器人運動學模型的反演控制策略 106
6．3．1 趨近律方法 107
6．3．2 反演設計方法 108
6．3．3 球形機器人軌跡跟踪的位姿誤差 109
6．3．4 球形機器人運動控制策略切換函數的設計 111
6．3．5 球形機器人運動控制策略滑模控制器的設計 112
6．3．6 基於球形機器人的運動學模型的“滑模控制”策略仿真 113
6．4　基於球形機器人動力學模型的“滑模控制”策略仿真 116
6．4．1 球形機器人動力學模型的近似線性化 116
6．4．2 球形機器人動力學模型縱向滑模控制器的設計 117
6．4．3 球形機器人動力學模型橫向滑模控制器的設計 118
6．4．4 符號函數的連續化 120
6．4．5 球形機器人動力學“滑模控制”仿真 121
6．5　本章小結 122
第7章 球形機器人控制系統設計及軌跡跟踪研究 123
7．1　球形機器人控制系統及軌跡跟踪研究現狀 123
7．1．1 球形機器人控制系統的研究現狀 123
7．1．2 球形機器人避障及路徑規劃研究現狀 124
7．2　球形機器人控制系統組成 125
7．3　球形機器人主控模塊的結構原理 127
7．4　球形機器人直行控制模塊的設計 129
7．4．1 步進電機的選擇 129
7．4．2 步進電機驅動原理 130
7．5　球形機器人轉向控制模塊的設計 133
7．5．1 球形機器人轉向電機及驅動控制 133
7．5．2 球形機器人飛輪轉速的測量原理 136
7．5．3 飛輪轉速的測算方法與誤差分析 137
7．6　球形機器人轉向角度測量控制模塊的設計 139
7．7　球形機器人光電尋跡模塊的設計 140
7．7．1 飛輪光電尋跡模塊的總體結構 140
7．7．2 接收信號處理 141
7．7．3 光電檢測單元的結構佈局 143
7．8　規劃路徑的樣條插值 144
7．8．1 三次樣條插值法基礎理論 144
7．8．2 三次樣條插值函數在球形機器人路徑規劃中的簡化 148
7．8．3 球形機器人路徑規劃的實驗研究 150
7．9　本章小結 154
第8章 球形機器人的實驗研究 156
8．1　TSR-I型球形機器人的樣機製作 156
8．2　TSR-I型球形機器人的實驗研究 158
8．2．1 球形機器人直線運動實驗 159
8．2．2 球形機器人爬坡能力實驗 160
8．2．3 球形機器人光電尋跡實驗 162
8．3　基於ADAMS的TSR-I型球形機器人的仿真研究 164
8．3．1 TSR-I型球形機器人虛擬樣機模型 164
8．3．2 TSR-I型球形機器人越障能力仿真 165
8．3．3 TSR-I型球形機器人爬坡能力仿真 167
8．4　基於ADAMS的TSR-III型球形機器人運動平穩性仿真 170
8．5　本章小結 175
第9章 總結與展望 176
9．1　本書主要研究內容及結論 176
9．2　主要創新點 178
9．3　研究展望 179
附錄A 球形機器人相關專利 181
參考文獻 187
後記 198