北京工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）-1-北京工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文基于ADAMS的兩輪機器人運動研究學(xué)院電子信息與控制工程學(xué)院專業(yè)自動化姓名學(xué)號指導(dǎo)老師2011年05月20日北京工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）-2-摘要機器人（ROBOT）是人類設(shè)計出來為替代人進行工作的機器。兩輪機器人結(jié)構(gòu)簡單、運動靈活、適合在狹小和危險的空間內(nèi)工作，在各個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。兩輪機器人的概念是20世紀(jì)90年代提出來的，屬于輪式機器人的范疇。文章旨在利用ADAMS（機械動力學(xué)仿真系統(tǒng)）研究兩輪機器人的運動情況，闡述了兩方面內(nèi)容：第一是利用MATLAB對機器人模型進行分析，確定各項運動參數(shù)和受力，根據(jù)分析結(jié)果設(shè)計控制系統(tǒng)，使得機器人系統(tǒng)能夠平衡，進而在平衡基礎(chǔ)上有規(guī)律運動。兩輪機器人是一個非線性、不穩(wěn)定的系統(tǒng)，其運動學(xué)原理和倒立擺相同。為了方便研究，首先把兩輪機器人模型簡化為倒立擺，進行受力分析和控制方案設(shè)計，再在MATLAB環(huán)境下對倒立擺控制情況進行SIMULINK仿真，進而拓展為對兩輪機器人的控制；第二是完成MATLAB仿真后，學(xué)習(xí)ADAMS理論知識，再根據(jù)MATLAB分析結(jié)果，結(jié)合實際情況，在ADAMS環(huán)境下設(shè)計出兩輪機器人模型，添加控制約束，模擬機器人運動情況。仿真結(jié)果顯示，此次設(shè)計對兩輪機器人的控制達到了預(yù)期目標(biāo)，控制效果良好，實現(xiàn)了兩輪機器人在ADAMS環(huán)境下的平衡和運動控制，改善了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性能，調(diào)節(jié)時間短，抗干擾能力強，直觀地觀察到了兩輪機器人在ADAMS環(huán)境下的運動情況。關(guān)鍵詞：兩輪機器人MATLABADAMS運動研究倒立擺北京工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）-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.北京工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）-4-目錄摘要.-2-abstract.-3-第一章緒論.-5-第一節(jié)兩輪機器人簡介及研究背景.-5-第二節(jié)兩輪機器人的發(fā)展和成果.-6-第三節(jié)兩輪機器人應(yīng)用.-8-第二章機械系統(tǒng)運動學(xué)分析ADAMS.-10-第一節(jié)ADAMS介紹.-10-第二節(jié)ADAMS的發(fā)展和應(yīng)用.-11-第三節(jié)ADAMS主要模塊功能.-13-第三章兩輪機器人建模和運動控制算法研究.-15-第一節(jié)模型簡化問題.-15-第二節(jié)倒立擺系統(tǒng).-15-第三節(jié)建模方法介紹.-16-第四節(jié)狀態(tài)空間數(shù)學(xué)模型.-19-第五節(jié)系統(tǒng)可控性分析.-20-第六節(jié)四階參考模型法控制.-22-第七節(jié)LQR法控制.-24-第四章基于ADAMS的兩輪機器人模型實現(xiàn).-27-第一節(jié)創(chuàng)建新模型.-27-第二節(jié)創(chuàng)建雙輪機器人模型.-27-第三節(jié)建立運動約束.-33-第四節(jié)創(chuàng)建接觸.-35-第五節(jié)加入旋轉(zhuǎn)力矩.-37-第六節(jié)更改質(zhì)量參數(shù).-38-第五章基于ADAMS的兩輪機器人控制設(shè)計.-40-第一節(jié)變量的創(chuàng)建.-40-第二節(jié)基于ADAMS的PID算法的實現(xiàn).-42-第三節(jié)參數(shù)整定.-45-第六章基于ADAMS的兩輪機器人運動仿真.-46-第一節(jié)ADAMS仿真.-46-第二節(jié)基于ADAMS的兩輪機器人仿真結(jié)果分析.-47-第七章總結(jié)與展望.-48-致謝.-49-主要參考文獻.-50-北京工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）-5-第一章緒論第一節(jié)兩輪機器人簡介及研究背景機器人（Robot）是能經(jīng)過人類設(shè)計出來，然后實施控制而代替人的動作的機器。它可以使人們大幅度減輕勞動強度，提高生產(chǎn)的效率，降低勞動作業(yè)的危險性，提高操作的精確性。1920年捷克斯洛伐克作家卡雷爾恰佩克在他的科幻小說羅薩姆的機器人萬能公司中，根據(jù)Robota(捷克文，原意為“勞役、苦工”)和Robotnik(波蘭文，原意為“工人”)，創(chuàng)造出“機器人”這個詞。1939年美國紐約世博會上展出了西屋電氣公司制造的家用機器人Elektro。它由電纜控制，可以行走，會說77個字，甚至可以抽煙，不過離真正干家務(wù)活還差得遠。但它讓人們對家用機器人的憧憬變得更加具體。1954年美國人喬治德沃爾制造出世界上第一臺可編程的機器人，并注冊了專利。這種機械手能按照不同的程序從事不同的工作，因此具有通用性和靈活性。1959年德沃爾與美國發(fā)明家約瑟夫英格伯格聯(lián)手制造出第一臺工業(yè)機器人。隨后，成立了世界上第一家機器人制造工廠Unimation公司。由于英格伯格對工業(yè)機器人的研發(fā)和宣傳，他也被稱為“工業(yè)機器人之父”。1968年美國斯坦福研究所公布他們研發(fā)成功的機器人Shakey。它帶有視覺傳感器，能根據(jù)人的指令發(fā)現(xiàn)并抓取積木,不過控制它的計算機有一個房間那么大。Shakey可以算是世界第一臺智能機器人，拉開了第三代機器人研發(fā)的序幕。1990年我國著名學(xué)者周海中教授在論機器人一文中預(yù)言：到二十一世紀(jì)中葉，納米機器人將徹底改變?nèi)祟惖膭趧雍蜕罘绞健?006年6月，微軟公司推出MicrosoftRoboticsStudio，機器人模塊化、平臺統(tǒng)一化的趨勢越來越明顯，比爾蓋茨預(yù)言，家用機器人很快將席卷全球。而隨著科技的發(fā)展和社會的需要，機器人也向著不同的樣式發(fā)展。如雙足式，四輪式，兩輪式等，甚至還有北京工業(yè)大學(xué)正在研究獨輪式機器人，發(fā)展速度可謂日新月異，風(fēng)馳電掣一般。兩輪機器人的概念是在20世紀(jì)90年代末提出來的，屬于輪式機器人的范疇,而且結(jié)合了自主移動的設(shè)計理念。因為這類機器人能達到自主平衡，擴展了其適應(yīng)地形變化的能力，運動速度和傾角可以進行調(diào)節(jié)，在空間探索，戰(zhàn)場偵察，危險品運輸，試驗研究等方面有很廣泛的作用。兩輪機器人自平衡控制是其研究的關(guān)鍵技術(shù)，而在平衡控制的基礎(chǔ)上，設(shè)計它的運動問題，更是在以后的生活需要和科學(xué)研究方面的主要目標(biāo)。北京工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）-6-兩輪機器人是對傳統(tǒng)機器人的一種拓展與補充，它會在科學(xué)研究、民用運輸、野外開發(fā)、軍事偵察等方面更有實用價值，比如機場行李運輸，可以設(shè)入跟蹤信號，實行自平衡控制和運動控制，就可以載著乘客的行李并自動跟隨乘客到目的地。目前現(xiàn)有的機器人基本上都以四輪傳動機構(gòu)作為動力系統(tǒng)，不足的方面在于系統(tǒng)的占地面積大，行動不夠靈活，而本次研究的兩輪機器人則只有很小的占地面積，而且由于只有兩只輪，所以在行動的靈活度上也有了很大程度的提高。另一方面，兩輪機器人在節(jié)能方面比之四輪機器人也有很大優(yōu)勢。第二節(jié)兩輪機器人的發(fā)展和成果最早的相關(guān)研究是在1987年，有東京電信大學(xué)自動化系的山藤一雄教授提出自平衡系統(tǒng)的設(shè)計思想，并于1996年在日本通過了相似的專利申請。自平衡設(shè)計思想主要應(yīng)用于：火箭發(fā)射中的垂直度控制，倒立擺控制，大型吊車運輸過程的穩(wěn)定控制等。近些年，研究較為成功的是將兩輪式移動機器人應(yīng)用到交通工具和仿真機器人。1986年，日本ElectrO一Conununieations大學(xué)的Kazuo、恤mafuji教授，提出并制作了一種自動站立機器人的構(gòu)想，如圖1.1所示，這被認為是兩輪自平衡機器人的構(gòu)想起源。由于當(dāng)時的控制原理和控制策略還不夠成熟，機器人只能在固定軌道前行，無法實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎等運動姿態(tài)。它的上部是由一個有稍微傾角的凹陷矩形控制電動機，電腦處理器及鐘擺用于維護平衡。其中一個輪子上綁一根小杠桿，相當(dāng)于傳感器來檢測傾斜度。該自平衡滑行裝置使用了復(fù)雜的陀螺回旋陣列裝置以及計算機系統(tǒng)來控制系統(tǒng)的平衡。圖1.1自動站立機器人北京工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）-7-1995年，美國發(fā)明家DeanKamen開始秘密研制Segway，如圖1.2所示，直到2001年12月，這個高度機密的新發(fā)明才被公布出來。2003年3月在美國正式上市。Segway獨特的動態(tài)穩(wěn)定技術(shù)與人體的平衡能力相似，5個固態(tài)陀螺儀、傾角傳感器，高速微處理器和電動機每秒100次檢測車體姿態(tài)，測出駕駛者的重心，瞬間完成計算，以每秒20000次的頻率進行細微調(diào)整，不管什么狀態(tài)和地形都能保持平衡。DeanKamen還為殘疾人登階梯所發(fā)明