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第1章 绪论1

1.1 引言1

1.2 球形机器人研究现状1

1.2.1 国外球形机器人的发展现状2

1.2.2 国内球形机器人的发展现状4

1.3 球形机器人运动学动力学研究现状6

1.4 球形移动机器人运动控制策略的研究现状7

第2章 水平面运动球形机器人动力学特性研究9

2.1 引言9

2.2 配重驱动型球形机器人在水平面内运动的动力学模型建立11

2.2.1 研究对象11

2.2.2 基于牛顿-欧拉法的配重驱动型球形机器人水平面内运动的动力学模型12

2.2.3 基于拉格朗日法的配重驱动型球形机器人水平面内运动的动力学模型13

2.2.4 牛顿-欧拉法和拉格朗日法结果对比14

2.3 配重型球形机器人加速特性研究14

2.3.1 球形机器人加速度的简化振动微分方程15

2.3.2 基于ADAMS的球形机器人动力学仿真与实验16

2.4 球形机器人越障性能分析20

2.4.1 球形机器人越障原理分析20

2.4.2 球形机器人越障实验23

2.5 本章小结28

第3章 球形机器人坡面运动的动力学模型29

3.1 引言29

3.2 BYQ-Ⅷ型球形机器人简介29

3.3 球形机器人坡面运动的平面动力学模型30

3.3.1 爬坡运动的动力学模型30

3.3.2 爬坡运动的平衡条件35

3.3.3 状态空间模型36

3.4 球形机器人坡面运动的空间动力学模型37

3.4.1 球形机器人滚动球壳的空间动力学模型37

3.4.2 球形机器人坡面运动的多体动力学模型42

3.5 本章小结47

第4章 坡面倾斜角度已知条件下球形机器人爬坡运动的控制策略研究48

4.1 引言48

4.2 基于自适应解耦滑模控制方法的位置控制策略研究49

4.2.1 基于自适应解耦滑模控制方法的位置控制器设计49

4.2.2 基于自适应解耦滑模控制方法的位置控制器的仿真验证55

4.2.3 基于自适应解耦滑模控制方法的位置控制器的实验验证56

4.3 基于自适应分级滑模控制方法的位置控制策略研究60

4.3.1 基于自适应分级滑模控制方法的位置控制器设计60

4.3.2 基于自适应分级滑模控制方法的位置控制器的仿真验证64

4.3.3 基于自适应分级滑模控制方法的位置控制器的实验验证65

4.4 基于自适应分级滑模控制方法的速度控制策略研究66

4.4.1 基于自适应分级滑模控制方法的速度控制器设计66

4.4.2 基于自适应分级滑模控制方法的速度控制器的仿真验证68

4.4.3 基于自适应分级滑模控制方法的速度控制器的实验验证69

4.5 本章小结70

第5章 坡面倾斜角度未知条件下球形机器人爬坡运动的位置控制策略研究71

5.1 引言71

5.2 基于自适应神经网络滑模控制方法的位置控制策略研究71

5.2.1 基于自适应神经网络滑模控制方法的位置控制器设计72

5.2.2 基于自适应神经网络滑模控制方法的位置控制器的仿真验证76

5.2.3 基于自适应神经网络滑模控制方法的位置控制器的实验验证77

5.3 基于自适应模糊滑模控制方法的位置控制策略研究78

5.3.1 基于自适应模糊滑模控制方法的位置控制器设计79

5.3.2 基于自适应模糊滑模控制方法的位置控制策略的仿真验证83

5.3.3 基于自适应模糊滑模控制方法的位置控制策略的实验验证83

5.4 本章小结85

第6章 球形机器人坡面运动的定点控制策略研究86

6.1 引言86

6.2 基于自适应反演滑模控制方法的定点控制策略研究86

6.2.1 基于自适应反演滑模控制方法的定点控制器设计86

6.2.2 基于自适应反演滑模控制方法的定点控制策略的仿真验证92

6.2.3 基于自适应反演滑模控制方法的定点控制策略的实验验证93

6.3 基于模型参考自适应滑模控制方法的定点控制策略研究96

6.3.1 基于模型参考自适应滑模控制方法的定点控制器设计96

6.3.2 基于模型参考自适应滑模控制方法的定点控制策略的仿真验证99

6.3.3 基于模型参考自适应滑模控制方法的定点控制策略的实验验证100

6.4 本章小结101

第7章 球形机器人坡面运动的轨迹跟踪策略研究102

7.1 引言102

7.2 基于输入输出反馈线性化方法的轨迹跟踪策略研究102

7.2.1 基于输入输出反馈线性化方法的轨迹跟踪控制器设计103

7.2.2 基于输入输出反馈线性化方法的轨迹跟踪策略的仿真验证105

7.2.3 基于输入输出反馈线性化方法的轨迹跟踪策略的实验验证107

7.3 基于自适应滑模控制方法的轨迹跟踪策略研究108

7.3.1 基于自适应滑模控制方法的轨迹跟踪控制器设计109

7.3.2 基于自适应滑模控制方法的轨迹跟踪策略的仿真验证111

7.3.3 基于自适应滑模控制方法的轨迹跟踪策略的实验验证113

7.4 本章小结113

第8章 球形机器人坡面运动的路径跟踪策略研究115

8.1 引言115

8.2 基于输入输出反馈线性化方法的路径跟踪策略研究115

8.2.1 基于输入输出反馈线性化方法的路径跟踪控制器设计115

8.2.2 基于输入输出反馈线性化方法的路径跟踪策略的仿真验证119

8.2.3 基于输入输出反馈线性化方法的路径跟踪策略的实验验证120

8.3 基于自适应滑模控制方法的路径跟踪策略研究121

8.3.1 基于自适应滑模控制方法的路径跟踪控制器设计122

8.3.2 基于自适应滑模控制方法的路径跟踪策略的仿真验证124

8.3.3 基于自适应滑模控制方法的路径跟踪策略的实验验证125

8.4 本章小结126

第9章 BYQ-Ⅳ球形机器人典型操作任务特性分析128

9.1 引言128

9.2 BYQ-Ⅳ球形机器人简介128

9.3 BYQ-Ⅳ球形机器人操作手运动学分析130

9.3.1 BYQ-Ⅳ机器人操作臂运动学分析130

9.3.2 BYQ-Ⅳ球形机器人手爪运动学及重要参数分析132

9.4 BYQ-Ⅳ球形机器人操作任务分析136

9.4.1 BYQⅣ机器人典型操作任务规划137

9.4.2 BYQ-Ⅳ机器人非典型操作任务规划138

9.4.3 BYQ-Ⅳ机器人操作任务虚拟仿真与实验140

9.5 本章小结146

附表一 基于自适应分级滑模控制方法的速度控制实验数据147

附表二 基于输入输出反馈线性化的直线轨迹跟踪实验数据148

附表三 基于自适应滑模控制的直线轨迹跟踪实验数据149

附表四 基于输入输出反馈线性化的直线路径跟踪实验数据150

附表五 基于自适应滑模控制的直线路径跟踪实验数据151

参考文献152