輪式移動機(jī)器人移動性能研究及樣機(jī)設(shè)計開發(fā).pdf

1、輪式移動機(jī)器人(WMR, Wheeled Mobile Robot)機(jī)械系統(tǒng)的研究涉及到運動學(xué)、動力學(xué)機(jī)構(gòu)學(xué)等相關(guān)學(xué)科,是移動機(jī)器人精確控制的基礎(chǔ)；既定設(shè)計用途的移動機(jī)器人總是建立在具體機(jī)械結(jié)構(gòu)之上,其移動性能直接影響到機(jī)器人性能表現(xiàn)和功能發(fā)揮。本論文主要圍繞輪式移動機(jī)器人移動性能進(jìn)行研究,并設(shè)計開發(fā)了四輪差速轉(zhuǎn)向構(gòu)型和三輪前輪操舵驅(qū)動構(gòu)型移動機(jī)器人樣機(jī)。(1)利用移動機(jī)器人中常用車輪在輪面方向和軸線方向的速度受限方程,建立由多個車輪驅(qū)

2、動和支撐的移動機(jī)器人速度堆積方程組；通過對堆積方程組的分析,歸納影響移動機(jī)器人移動能力的約束條件；從堆積方程組中提取的偏心轉(zhuǎn)向輪速度方程證明了偏心轉(zhuǎn)向輪作為自由輪時,其數(shù)量的增加并不會影響移動機(jī)器人的移動能力；從堆積方程組中提取的速度正解和逆解方程,表明了機(jī)器人運動狀態(tài)量和車輪運動狀態(tài)量之間的關(guān)系。(2)在對兩種典型構(gòu)型移動機(jī)器人運動學(xué)分析基礎(chǔ)上,開發(fā)了兩種構(gòu)型的物理樣機(jī)：差速轉(zhuǎn)向構(gòu)型樣機(jī)XAUT. AGV100和操舵轉(zhuǎn)向構(gòu)型樣機(jī)XAU

3、T. AGV5000,主要針對轉(zhuǎn)向原理、設(shè)計方案、驅(qū)動系統(tǒng)開發(fā)、控制和導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了研究。對于四輪差速轉(zhuǎn)向構(gòu)型,針對常用的自由輪緩沖系統(tǒng)提供了改進(jìn)設(shè)計方法；在建立移動機(jī)器人動力學(xué)模型上,對移動機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行了開發(fā)；針對具體構(gòu)型樣機(jī),導(dǎo)出了航位推算公式,獲得了運動控制量算法。(3)一般路徑曲線在過渡段連接點位置幾何參數(shù)不連續(xù),需要移動機(jī)器人驅(qū)動電機(jī)速度和轉(zhuǎn)向電機(jī)位置實現(xiàn)跳變,受限于電機(jī)動力學(xué)性能,這種路徑無法可靠地跟蹤,從而影響了機(jī)

4、器人的移動性能。論文第五章在笛卡爾坐標(biāo)系中建立了一種連續(xù)曲率曲線,保證了機(jī)器人驅(qū)動電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)在這種路徑連接位置處速度能夠連續(xù)變化,從動力學(xué)方面保證了對電機(jī)的可控性。(4)移動機(jī)器人運行在實際路面上,車輪—路面接觸因素決定的橫滑因素對機(jī)器人的運動性能有很大影響。論文第六章對三輪式前輪操舵構(gòu)型移動機(jī)器人的橫滑特性進(jìn)行了研究,在對移動機(jī)器人穩(wěn)態(tài)圓運動建立動力學(xué)模型基礎(chǔ)上,通過實驗平臺測量得到動力學(xué)模型求解所需的機(jī)器人運動參數(shù),最后利用牛頓

5、—拉夫森方法對動力學(xué)方程組進(jìn)行了迭代求解,得到了實驗樣機(jī)在一定實驗條件下的橫滑剛度參數(shù)。論文提供的橫滑剛度測量方法對移動機(jī)器人相關(guān)研究具有參考價值。(5)移動機(jī)器人運動中會受到橫向沖擊影響,如沖擊力、橫向風(fēng)力、或者路面隨機(jī)突起。論文在對移動機(jī)器人橫滑特性研究基礎(chǔ)上,針對三輪式前輪操舵構(gòu)型移動機(jī)器人直線運動中的方向穩(wěn)定性問題進(jìn)行了研究,通過對機(jī)器人平面運動微分方程的求解和分析,得到了機(jī)器人直線運動的方向穩(wěn)定性條件。根據(jù)該條件,對所開發(fā)樣機(jī)