[发明专利]基于多体系统离散时间传递矩阵法的机器人动力学建模方法

说明书

技术领域

本发明涉及移动机器人的动力学建模技术领域。

本方法主要涉及一种履带式移动机器人的统一动力学建模方法，特别是用多体系统理论对一类移动机器人进行动力学建模，可用于移动机器人的控制器设计。

背景技术

近些年，由于地震、海啸等自然灾害频发及恐怖组织等人为因素对全球各国造成了巨大的生命和财产损失。随着机器人技术的迅速发展，救援机器人在地震灾害、核污染等复杂、危险环境代替人类完成检测、搜寻和营救等任务。履带式移动机器人系统是由一个机械手固定在一个履带式移动平台上构成。移动机器人同时具有移动和操作两大功能。平台的移动扩大了机械手的工作空间，使机械手具有几乎无限大的操作空间且能以更加适合的姿态来执行任务。救援机器人普遍存在体积大、能耗高、作业能力差和动态特性差等方面的问题，因此，设计轻质、低耗、适应性强、动态特性好的多功能救援机器人，成为这一研究领域的关键问题。

一、建立动力学模型是实时控制的需要

移动机器人的数学模型包括运动学模型和动力学模型两部分。且运动学及动力学建模与分析是其它各方面研究的基础，也是救援机器人开展救援工作的前提。但从现有的研究来看，基于救援机器人运动学的研究远远多于基于动力学的研究。为了实现机器人移动机构的快速运动，通常比较简单的方法是基于运动学提出轨迹规划算法，控制其速度。但是，当救援任务对机器人的动力特性要求较高的情况下，仅考虑运动学因素是不够的，建立动力学模型是实时控制的需要，利用它可以实现最优控制，达到良好的动态性能和最优指标。目前，有关救援机器人动力学的研究还不充分，其原因是救援机器人动力学模型较运动学复杂得多，而基于动力学的控制结构设计难度大、计算效率低。由于动态的、非结构化的环境因素使移动机械手受到的随机干扰，如地面的不规则，轮子的滑动等。系统的实际控制输入是由驱动器产生的，从动力层面考虑系统的控制问题与实际相符，设计动力学控制器将会使系统性能和可实现性极大提高。

二、机械手和移动平台的强耦合作用要求设计移动机器人的统一控制器

目前，国内外对移动机械的控制主要采取分别控制的思想。其代表性研究有：(1)Yamamoto Y用“首选操作区”的概念实现了机械手末端跟踪—个运动物体的表面，其实质是仅考虑机械手一个子系统的控制；(2)GoldenbergAA为移动机械手的两个子系统分别设计了基于神经网络的控制器，提出了需要较少控制参数的鲁棒阻尼控制；(3)ChungjH利用非线性交互控制进行运动学冗余度求解，分别设计了用于机械手控制的鲁棒自适应控制器和用于移动载体的线性化控制器。上述分散控制的方法可以降低控制器设计的难度，但由于工业机械手质量大，运动速度快，运动过程中会产生很大的耦合力作用在移动平台上；同时移动平合的运动也会干扰机械手的控制，影响控制精度。有关救援机器人手臂的研究，主要集中在以下两个方面：(1)基于机械臂逆运动学的研究；(2)基于移动机构和机械臂各自动力学的研究。其中，关于(1)的研究不考虑移动机构的动力学模型，研究方法仍然停留在固定基座机械臂的操作控制上；而关于(2)的研究中采用的分散建模与控制的方法，虽然降低了控制设计的难度，但是忽略了移动机构和机械臂之间的动力学耦合效应。实际上，救援机器人整体在工作时，移动机构与机械臂的运动和力作用是相互耦合、相互影响的，即机械臂的运动会产生耦合力作用在移动机构上，影响其定位和控制，而移动机构的运动也会影响机械臂的操作精度。为此有学者尝试将移动机械手看成一个整体进行控制。其代表性的研究有：(1)Jagannathan S通过建立离散的模糊逻辑系统来逼近整个系统的动力学模型，实现移动载体和机械手的位置和速度跟踪。其优点是可以部分克服动力学耦合和外部扰动的影响，但其不足之处是必须满足持续的激励条件；(2)Yamamoto Y利用非线性反馈对耦合进行集中补偿，但实验证明这种补偿对于由平台移动引起的跟踪误差效果较好，但很难补偿由于机械手的运动引起的跟踪误差。

目前，对履带式移动机器人采用统一的运动学和动力学建模加以控制的研究很少，已有方法对移动平台的非完整约束也缺乏有效的措施。

发明内容

本发明目的是克服现有技术存在的上述不足，提供一种履带式移动机器人的基于多体系统离散时间传递矩阵法的统一动力学建模方法。利用刚性多体系统离散时间传递矩阵法，建立具有单臂操作的救援机器人整体较完备的动力学模型，研究系统的动力学特性，对于丰富和深化救援机器人的研究内容，实现救援机器人高性能的运动和动力特性具有重要的理论意义和应用价值。

本发明所采用的技术方案是：