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溜冰機器人運動學分析

注意:本論文已在上海交通大學學報》2002,36 (9):1365-1369發表
使用者請注明論文出處

宋立博, 呂恬生, 張家梁, 費燕瓊
(上海交通大學機械工程學院,上海,200030)

摘要:依據Roller-walker和ALDURO重新設計了采用腿輪混合結構的溜冰機器人。在簡要介紹常規的運動學分析方法的基礎上,建立了相關的慣性坐標系和滾輪坐標系,并根據滾輪在法向無滑動、切向作純滾動的假設建立了中心定位輪的運動約束方程。然后,建立了機器人的運動學模型,并討論了機器人的移動性問題,得出機器人存在運動的條件。同時,設計了溜冰機器人運動學狀態空間表達式。最后,以溜冰機器人為例分析了其轉彎和直線滑行時的運動學問題。
關鍵詞 溜冰機器人,移動機器人,運動學,狀態空間
中圖分類號: TP242.1 文獻標識碼 A

Kinematic Analysis of Ice-Skater Robot

SONG Li-bo LÜ Tian-sheng ZHANG Jia-liang FEI Yan-qiong
(School of Mechanical Engineering of Shanghai Jiao Tong University,Shanghai,200030)

ABSTRACT A Ice-skater Robot of leg-wheel type is redesigned according to Roller-walker and ALDURO. On the basis of introduction of kinematic analysis methods, the paper founds the stationary coordinate system and the wheel coordinate system respectively. Meanwhile, the kinematic constraint equations of the standard centered orientable wheel is founded on the assumption that there is no slippage in normal direction and pure rolling in tangential direction of the wheels. Then, the kinematic model is modeled and the mobility is discussed in the paper. And the motion condition equation of the robot is gotten in sequence. Meanwhile, the paper designs the kinematic state space representation of the Ice-skater Robot. At last, the paper analyzes the kinematics of the Ice-skater Robot when it turns and skates forwards respectively. 
KEYWORDS Ice-skater Robot,Mobile robot,,Kinematics,State space 

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作者點評:

    與普通移動機器人不同的是,溜冰機器人無直接的驅動裝置、換向裝置和剎車裝置,并且同時含有腿和滾輪。其運動條件也與普通的移動機器人不同,在運動時不僅需要調節腿的位姿以獲得滾輪法向的滑動摩擦力,也需要調整滾輪方向角使滑動摩擦力合成轉換為摩擦驅動力。也就是說,這種從動輪式移動機器人的運動和運動控制需要考慮三個條件:1)如何產生滑動摩擦力;2)如何將滑動摩擦力轉換為驅動力;3)如何確定機器人的運動方向。其中,滑動摩擦力的產生是依靠腿相對于其縱向對稱線的擺動產生,依靠滾輪方向角度周期調整將滑動摩擦力轉換為摩擦驅動力,同時,使用運動學(半)逆解法確定定向滾輪的方向角。前兩個條件就是滾輪方向角相容方程,最后一個條件就是在平衡問題上考慮的運動學問題。
    但是,這些分析是建立在滾輪純滾動和無滑動的非完整約束運動假設基礎之上,也沒有考慮系統的機械結構誤差和安裝誤差,因此在實際應用中滾輪存在輕微的滑動現象。建議在分析運動學、動力學,搭建控制系統時考慮這些因素。2003.12.08.


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