毕业设计（论文）-基于ADAMS的两轮机器人运动研究.doc

北京工业大学毕业设计（论文）-1-北京工业大学学士学位论文基于ADAMS的两轮机器人运动研究学院电子信息与控制工程学院专业自动化姓名学号指导老师2011年05月20日北京工业大学毕业设计（论文）-2-摘要机器人（ROBOT）是人类设计出来为替代人进行工作的机器。两轮机器人结构简单、运动灵活、适合在狭小和危险的空间内工作，在各个领域有着广泛的应用。两轮机器人的概念是20世纪90年代提出来的，属于轮式机器人的范畴。文章旨在利用ADAMS（机械动力学仿真系统）研究两轮机器人的运动情况，阐述了两方面内容：第一是利用MATLAB对机器人模型进行分析，确定各项运动参数和受力，根据分析结果设计控制系统，使得机器人系统能够平衡，进而在平衡基础上有规律运动。两轮机器人是一个非线性、不稳定的系统，其运动学原理和倒立摆相同。为了方便研究，首先把两轮机器人模型简化为倒立摆，进行受力分析和控制方案设计，再在MATLAB环境下对倒立摆控制情况进行SIMULINK仿真，进而拓展为对两轮机器人的控制；第二是完成MATLAB仿真后，学习ADAMS理论知识，再根据MATLAB分析结果，结合实际情况，在ADAMS环境下设计出两轮机器人模型，添加控制约束，模拟机器人运动情况。仿真结果显示，此次设计对两轮机器人的控制达到了预期目标，控制效果良好，实现了两轮机器人在ADAMS环境下的平衡和运动控制，改善了系统的不稳定性能，调节时间短，抗干扰能力强，直观地观察到了两轮机器人在ADAMS环境下的运动情况。关键词：两轮机器人MATLABADAMS运动研究倒立摆北京工业大学毕业设计（论文）-3-abstractRobotisamanwhodesignedtheworkcarriedoutforalternativeproducts.Wheeledrobotisasimplestructure,flexiblemovement,suitableforsmallanddangerousworkspacerobot,inallfieldshaveawiderangeofapplications.Theconceptoftwowheeledrobotispresentedtothe20thcentury,90years,belongingtothescopeofwheeledrobots.ArticleaimstouseADAMS(MechanicalDynamicsSimulationSystem)tostudythemovementoftworobots,describedtwoaspects:first,therobotmodelusingMATLABanalysistodeterminetheparametersofthemovementandforce,basedonananalysisControlsystemweredesignedsothattherobotsystemtobalance,thenthebalanceonabasisofregularexercise.Twowheeledrobotisanonlinearandunstablesystem,thekinematictheoryandthesameinvertedpendulum.Tofacilitatethestudy,thefirsttworoundsoftherobotmodeltobesimplifiedasaninvertedpendulum,theforceanalysisandcontroldesign,andthenintheMATLABenvironment,thesituationontheinvertedpendulumcontrolSIMULINKsimulation,andthenexpandedtothecontroloftworobots；ThesecondisthecompletionofMATLABsimulation,thelearningoftheoreticalknowledgeADAMS,MATLABanalysisaccordingtotheresultswiththeactualsituationintheADAMSenvironmenttodesigntworobotmodel,addthecontrolconstraints,simulatedrobotmovement.Simulationresultsshowthatthedesignoftworobotcontroltoachievetheexpectedgoal,thecontrolworkswell,achievingatwowheeledrobotADAMSenvironmentinbalanceandmovementcontrol,toimprovetheunstableperformanceofthesystem,adjustthetimeisshortAnti-interferenceability,directlyobservedtworobotmovementADAMSenvironment.北京工业大学毕业设计（论文）-4-目录摘要.-2-abstract.-3-第一章绪论.-5-第一节两轮机器人简介及研究背景.-5-第二节两轮机器人的发展和成果.-6-第三节两轮机器人应用.-8-第二章机械系统运动学分析ADAMS.-10-第一节ADAMS介绍.-10-第二节ADAMS的发展和应用.-11-第三节ADAMS主要模块功能.-13-第三章两轮机器人建模和运动控制算法研究.-15-第一节模型简化问题.-15-第二节倒立摆系统.-15-第三节建模方法介绍.-16-第四节状态空间数学模型.-19-第五节系统可控性分析.-20-第六节四阶参考模型法控制.-22-第七节LQR法控制.-24-第四章基于ADAMS的两轮机器人模型实现.-27-第一节创建新模型.-27-第二节创建双轮机器人模型.-27-第三节建立运动约束.-33-第四节创建接触.-35-第五节加入旋转力矩.-37-第六节更改质量参数.-38-第五章基于ADAMS的两轮机器人控制设计.-40-第一节变量的创建.-40-第二节基于ADAMS的PID算法的实现.-42-第三节参数整定.-45-第六章基于ADAMS的两轮机器人运动仿真.-46-第一节ADAMS仿真.-46-第二节基于ADAMS的两轮机器人仿真结果分析.-47-第七章总结与展望.-48-致谢.-49-主要参考文献.-50-北京工业大学毕业设计（论文）-5-第一章绪论第一节两轮机器人简介及研究背景机器人（Robot）是能经过人类设计出来，然后实施控制而代替人的动作的机器。它可以使人们大幅度减轻劳动强度，提高生产的效率，降低劳动作业的危险性，提高操作的精确性。1920年捷克斯洛伐克作家卡雷尔·恰佩克在他的科幻小说罗萨姆的机器人万能公司中，根据Robota(捷克文，原意为“劳役、苦工”)和Robotnik(波兰文，原意为“工人”)，创造出“机器人”这个词。1939年美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人Elektro。它由电缆控制，可以行走，会说77个字，甚至可以抽烟，不过离真正干家务活还差得远。但它让人们对家用机器人的憧憬变得更加具体。1954年美国人乔治·德沃尔制造出世界上第一台可编程的机器人，并注册了专利。这种机械手能按照不同的程序从事不同的工作，因此具有通用性和灵活性。1959年德沃尔与美国发明家约瑟夫·英格伯格联手制造出第一台工业机器人。随后，成立了世界上第一家机器人制造工厂Unimation公司。由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传，他也被称为“工业机器人之父”。1968年美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人Shakey。它带有视觉传感器，能根据人的指令发现并抓取积木,不过控制它的计算机有一个房间那么大。Shakey可以算是世界第一台智能机器人，拉开了第三代机器人研发的序幕。1990年我国著名学者周海中教授在论机器人一文中预言：到二十一世纪中叶，纳米机器人将彻底改变人类的劳动和生活方式。2006年6月，微软公司推出MicrosoftRoboticsStudio，机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显，比尔·盖茨预言，家用机器人很快将席卷全球。而随着科技的发展和社会的需要，机器人也向着不同的样式发展。如双足式，四轮式，两轮式等，甚至还有北京工业大学正在研究独轮式机器人，发展速度可谓日新月异，风驰电掣一般。两轮机器人的概念是在20世纪90年代末提出来的，属于轮式机器人的范畴,而且结合了自主移动的设计理念。因为这类机器人能达到自主平衡，扩展了其适应地形变化的能力，运动速度和倾角可以进行调节，在空间探索，战场侦察，危险品运输，试验研究等方面有很广泛的作用。两轮机器人自平衡控制是其研究的关键技术，而在平衡控制的基础上，设计它的运动问题，更是在以后的生活需要和科学研究方面的主要目标。北京工业大学毕业设计（论文）-6-两轮机器人是对传统机器人的一种拓展与补充，它会在科学研究、民用运输、野外开发、军事侦察等方面更有实用价值，比如机场行李运输，可以设入跟踪信号，实行自平衡控制和运动控制，就可以载着乘客的行李并自动跟随乘客到目的地。目前现有的机器人基本上都以四轮传动机构作为动力系统，不足的方面在于系统的占地面积大，行动不够灵活，而本次研究的两轮机器人则只有很小的占地面积，而且由于只有两只轮，所以在行动的灵活度上也有了很大程度的提高。另一方面，两轮机器人在节能方面比之四轮机器人也有很大优势。第二节两轮机器人的发展和成果最早的相关研究是在1987年，有东京电信大学自动化系的山藤一雄教授提出自平衡系统的设计思想，并于1996年在日本通过了相似的专利申请。自平衡设计思想主要应用于：火箭发射中的垂直度控制，倒立摆控制，大型吊车运输过程的稳定控制等。近些年，研究较为成功的是将两轮式移动机器人应用到交通工具和仿真机器人。1986年，日本ElectrO一Conununieations大学的Kazuo、恤mafuji教授，提出并制作了一种自动站立机器人的构想，如图1.1所示，这被认为是两轮自平衡机器人的构想起源。由于当时的控制原理和控制策略还不够成熟，机器人只能在固定轨道前行，无法实现转弯等运动姿态。它的上部是由一个有稍微倾角的凹陷矩形控制电动机，电脑处理器及钟摆用于维护平衡。其中一个轮子上绑一根小杠杆，相当于传感器来检测倾斜度。该自平衡滑行装置使用了复杂的陀螺回旋阵列装置以及计算机系统来控制系统的平衡。图1.1自动站立机器人北京工业大学毕业设计（论文）-7-1995年，美国发明家DeanKamen开始秘密研制Segway，如图1.2所示，直到2001年12月，这个高度机密的新发明才被公布出来。2003年3月在美国正式上市。Segway独特的动态稳定技术与人体的平衡能力相似，5个固态陀螺仪、倾角传感器，高速微处理器和电动机每秒100次检测车体姿态，测出驾驶者的重心，瞬间完成计算，以每秒20000次的频率进行细微调整，不管什么状态和地形都能保持平衡。DeanKamen还为残疾人登阶梯所发明的可登阶梯的轮椅，这种轮椅可以在一定角度的情况下非常平稳的进行，还可以爬楼梯，其他学者也有相关研究。图1.2Segway2002年，丹麦乐高公司的steveHassenPtug设计了两轮自平衡传感器式机器人Legway，如图1.3所示。采用红外测距仪作为传感器采集机器人位姿信号，电机采用差动驱动方式。它可以工作在倾斜面甚至不规则表面上，通过遥控使其运行并保持平衡。可以实现零半径回转和U型回转。这种机器人只有人的手掌大小，采用了模块化的结构设计，安装和拆卸都很方便。图1.3Legway