带有机械臂球形机器人若干问题的研究

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6、『¨Ⅲ舢＼1760506独创性(或创新性)声明本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名：建乡&日期：2D口

7、9．／2，／孑关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即t研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后遵守此规定)保密论文注释：本学位论文属于保密在—年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。产l馕一摘要带有机械

8、臂的球形机器人是在现有球形机器人的基础上，融合多臂机器人特点的一种移动机器人。这种机器人一方面能够进行全方位行走运动。同时又具有对外界环境进行灵活操作的能力，具有广泛的应用前景。本论文以一种新型的带有机械臂球形机器人为主要研究对象，并借助1个移动关节5个旋转关节(IP5R)和3个旋转关节(3R)的柔性关节机械臂模型对该球形机器人的若干问题进行较为深入的研究。论文建立了一种带有机械臂球形机器人的动力学模型，提出了欠驱动球形机器人惯性参数的辨识方法，设计了球形机器人球壳静止时的柔性关节机械臂的动力学控制策略，

9、并提出了一种运动状态下的关节面物理参数辨识方法。主要研究工作如下l1．分析了一种具有13个刚体、15个自由度的带有机械臂球形机器人系统的运动特性．以球壳为基座，球壳内部的驱动装置、两侧的球冠以及球冠内部的臂杆为连杆，分析了系统各构件的运动规律；充分考虑非完整约束条件，得到了各构件的偏速度、偏角速度、广义主动力和广义惯性力的表达式。利用Kane方程建立了系统质量分布均匀时的动力学模型。对球壳沿直线及S曲线行走时各关节力／力矩以及球壳欧拉角分别进行了仿真分析。2．针对欠驱动球形机器人动力学模型的特点，提出了基

10、于惯性测量单元(IMU)传感器的惯性参数辨识方法。根据Kane方法建立了系统质量分布不均匀时的动力学模型，利用模型中的三个欠驱动方程推导出了球形机器人惯性参数辨识模型；以一种新型的带有机械臂球形机器人为实验平台，根据安装在球形机器人内框上的惯性测量单元实测信息，对所提辨识方法进行了实验验证。实验结果表明该方法简单可行，同时为其它欠驱动机器人惯性参数辨识提供了一种新的思路。3．将球形机器人球壳静止时的臂杆操作系统假想为带有移动关节和旋转关节的机械臂系统，建立了6自由度柔性关节机械臂的刚柔耦合动力学模型，并在

11、该模型的基础上，详细讨论了IP5R(1个移动关节、5个旋转关节)柔性关节机械臂的反馈线性化控制方法。在系统工作空间内设计轨迹生成器，借助MATLAB软件工具，采用数值方法分别对同一路径下两种不同运动状态的轨迹进行了跟踪仿真控制。该研究对于合理规划机械臂末端操作轨迹有很好的指导意义。4．针对带有机械臂球形机器人的多连杆柔性关节机械臂，设计了基于高斯径向基函数(RBF)神经网络的滑模控制器，该控制器利用神经网络的逼近能力，将各关节的切换函数作为网络的输入，系统的控制量作为网络的输出，控制器完全由连续的RBF神

12、经网络实现。利用该控制器与线性二次型跟踪器以及传统滑模控制器北京邮电大学博士学位论文带有机械臂的球形机器人若干问题的研究对三连杆柔性关节机械臂进行了轨迹跟踪控制仿真，并对结果进行了对比分析。5．针对柔性关节机械臂关节面参数的时变特性，提出了一种多体机械系统运动状态下关节面参数辨识的新方法。将机械臂柔性关节等效为弹性扭转轴，并将应用于结构中的行波分析方法与机器人关节旋转交换矩阵相结合，建立了运动机构系统的波导方程。根据系统各结点力平衡与位移边界条件，建立了运动状态下系统激励预测模型，根据预测出的系统激励以及

13、实验测量得到的关节扭转角等因素，建立了系统振动方程。分别采用最"b--乘法和神经网络方法对上述方程进行求解，推导出了关节动态刚度和阻尼的辨识模型。以两种不同的运动轨迹驱动3自由度机械臂，对其进行了辨识实验研究．关键词：球形机器人；动力学模型l惯性参数I柔性关节：关节面刚度；参数辨识#滑模控制；径向基神经网络，▲一一，』，‘娩^ABSTRACTThesphericalrobot、析malmsisdifferentfromthep