轮步式机器人测控系统及蠕动控制研究
随着人类对星球探测的不断深入，各种复杂地形如沙丘、陨石坑等也将成为重要的探测目标，这对星球探测机器人的移动性能提出了巨大挑战。轮步式移动机器人一般采用主动悬架或多自由度轮-腿复合式机械结构，可通过蠕动实现大角度爬坡和脱陷等，因此，具备较强的多地形适应能力和移动能力，被广泛用于星球探测中。然而，轮步式机器人特殊的结构和较多的关节自由度增大了机器人蠕动控制的难度。因此，对各关节进行运动规划和协调控制研究以实现期望蠕动动作具有重要作用和意义。 首先，分析了轮步式机器人的主动悬架结构和关节约束，研究了机器人在蠕动过程中车轮发生的滚动滑移现象，利用D-H法建立了考虑车轮滚动滑移的机器人运动学关系；为防止机器人蠕动过程发生速度和加速度突变，利用五次多项式在机器人关节空间对悬架主摇臂进行运动轨迹规划；为提高控制器轨迹跟踪精度和鲁棒性，设计了基于线性扩张状态观测器的滑模控制器，并使用李雅普诺夫稳定性判据，证明了闭环控制系统的稳定性。 然后，针对机器人蠕动过程驱动车轮与制动车轮的协调问题，通过分析制动轮的运动状态，提出了基于模糊逻辑方法和制动轮状态的车轮协调控制策略，根据制动轮状态实时调整驱动轮滑转率，并为实现对驱动轮的实时控制，针对不同地形，分别设计了基于主摇臂线速度约束的驱动轮转速控制算法和基于自抗扰控制器的驱动轮滑转率控制算法；搭建了ADAMS-Simulink联合仿真平台，仿真验证了控制策略和算法的有效性。 最后，从结构化、模块化、可扩展性和交互性等角度，设计了机器人测控系统分层分布式控制方案；搭建了以Beckhoff工控机、GPU嵌入式工控机和EtherCAT总线为核心的机器人运动控制和视觉处理硬件平台；结合测控系统硬件，开发了模块化可扩展的软件控制平台，实现了对机器人多层次灵活控制。开展了机器人实物实验，验证了机器人测控系统的可靠性和控制算法的有效性。
轮步式机器人;测控系统;蠕动控制;主摇臂;运动轨迹规划;车轮协调控制
哈尔滨理工大学
硕士
控制工程
尤波
2022
中文
TP242.3
2022-09-21（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）