● 摘要
球形机器人是一种比较特殊的移动机器人，机械机构、驱动装置、控制系统与动力设备等都包容在封闭的球形壳体之内，它通过重心偏移、角动量守恒等原理实现可控运动。因此球形移动机器人在工业、民用以及空间探索等领域具有非常广泛的应用前景。由于球形移动机器人属于非完整约束系统，传统的运动控制理论在这种机器人上无法应用，到目前为止尚未有针对此类机器人的较为实用的运动控制方法，因此，运动控制理论的匮乏已经阻碍了此类机器人的发展与应用。本文首先建立了BHQ-1球形移动机器人的运动学和动力学模型，在此基础上对其轨迹跟踪控制问题进行了研究，提出了轨迹跟踪控制方法，最后做了相关实验对所做的理论进行了验证。主要研究内容如下：第一，建立了球形移动机器人的运动学模型，基于旋量理论推导了该球形机器人的速度雅可比矩阵及其逆矩阵。第二，建立了球形机器人直线运动的动力学模型，提出并采用了基于SIMO_PID控制器的直线运动控制算法。第三，讨论了BHQ-1球形移动机器人的轨迹跟踪问题，首先基于BHQ-1球形移动机器人的运动学方程设计了其轨迹跟踪算法，并进行了仿真研究。第四，考虑到机器人的动态特性，基于BHQ-1球形移动机器人的动力学模型采用Lyapunov直接法和反步法重新设计了其轨迹跟踪算法。第五，设计了一套完整的球形机器人运动控制器，并针对各个功能模块进行了软件设计。最后，通过实验对设计的控制系统进行了初步验证。