全方位小型足球机器人运动性能研究
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摘要
小型组足球机器人要求反应迅速,运动灵活,以便完成发球、接传球、踢球、防守、断球、射门等动作,运动是其最重要的功能。运动性能研究是整个机器人机械设计的基础环节,所设计出的车体和运动机构应该保证整个机器人具有最佳的运动性能。
全方位轮机构有效地避免了普通车轮不能侧向运动带来的非完整性约束,能够在保持车体方位不变的情况下在平面上沿任意方向直线移动,路径最短,具有明显的优势,成为近几年来小型足球机器人主要发展趋势。全方位轮足球机器人运动灵活,能够较好地满足小型足球机器人比赛的需要。本文对几种基本的全方位轮结构进行了运动学分析,研究了它们的运动性能和结构特点,为选择三轮或四轮机器人提供了理论依据;探讨了因安装踢球器等装置对全方位机器人运动情况产生的影响,为合理地确定踢球器等机构主要尺寸提供了参考依据;讨论了全方位机器人的控制方法,为如何更好地控制机器人的运动提供了理论依据;提出一种全方位轮上小滚子的安装方式,为车体机构的设计提供了参考;对全方位机器人进行了误差分析,建立了运动学误差模型,分析了结构参数误差对车体运动性能的影响,为车体机构的设计提供了理论依据。
Motion is the basic function of soccer robot. Small soccer robots are required to respond quickly and move agilely in order to well accomplish serving, catching, passing, kicking, defending, shooting and other actions. Study on the kinematic performance is the basic part of design of the whole robot. The designed robot and its motion mechanisms should ensure the robot to posess good motion performance.
The omni-directional wheel can effectively avoid non-holonomic constraint caused by common used wheels that are not able to move laterally. It is thus capable for the robot to move straightly in any direction while keeping the orientation of the body unchanged. As the path may be the shortest, omni-directional robot becomes primary developing trend of small soccer robots in recent years. The omni-directional soccer robot moves agilely and can meet demands of small soccer robot match better. This paper gives kinematic analyses with regard to some kinds of basic omni-directional wheels, studies their motion performance and structural characters, provides theories for selecting three-wheel or four-wheel robot; discusses influences on the motion of the omni-directional robot caused by mounting of some equipments such as kicker etc., provides references which are helpful to define chief dimensions of kicker and some other mechanisms as well reasonably; discusses approaches to control of omni-directional robot, provides theories for better motion control; presents a method of mounting small rollers on the omni-directional wheel, provides references for design of the robot body; gives error analysis of the omni-directional robot, establishes the kinematic error model, analyzes influences on motion performance of the robot body induced by errors of structural parameters, provides theories for the design of the robot body.
全方位轮机构有效地避免了普通车轮不能侧向运动带来的非完整性约束,能够在保持车体方位不变的情况下在平面上沿任意方向直线移动,路径最短,具有明显的优势,成为近几年来小型足球机器人主要发展趋势。全方位轮足球机器人运动灵活,能够较好地满足小型足球机器人比赛的需要。本文对几种基本的全方位轮结构进行了运动学分析,研究了它们的运动性能和结构特点,为选择三轮或四轮机器人提供了理论依据;探讨了因安装踢球器等装置对全方位机器人运动情况产生的影响,为合理地确定踢球器等机构主要尺寸提供了参考依据;讨论了全方位机器人的控制方法,为如何更好地控制机器人的运动提供了理论依据;提出一种全方位轮上小滚子的安装方式,为车体机构的设计提供了参考;对全方位机器人进行了误差分析,建立了运动学误差模型,分析了结构参数误差对车体运动性能的影响,为车体机构的设计提供了理论依据。
Motion is the basic function of soccer robot. Small soccer robots are required to respond quickly and move agilely in order to well accomplish serving, catching, passing, kicking, defending, shooting and other actions. Study on the kinematic performance is the basic part of design of the whole robot. The designed robot and its motion mechanisms should ensure the robot to posess good motion performance.
The omni-directional wheel can effectively avoid non-holonomic constraint caused by common used wheels that are not able to move laterally. It is thus capable for the robot to move straightly in any direction while keeping the orientation of the body unchanged. As the path may be the shortest, omni-directional robot becomes primary developing trend of small soccer robots in recent years. The omni-directional soccer robot moves agilely and can meet demands of small soccer robot match better. This paper gives kinematic analyses with regard to some kinds of basic omni-directional wheels, studies their motion performance and structural characters, provides theories for selecting three-wheel or four-wheel robot; discusses influences on the motion of the omni-directional robot caused by mounting of some equipments such as kicker etc., provides references which are helpful to define chief dimensions of kicker and some other mechanisms as well reasonably; discusses approaches to control of omni-directional robot, provides theories for better motion control; presents a method of mounting small rollers on the omni-directional wheel, provides references for design of the robot body; gives error analysis of the omni-directional robot, establishes the kinematic error model, analyzes influences on motion performance of the robot body induced by errors of structural parameters, provides theories for the design of the robot body.
引文
[1]Alan Mackworth,On Seeing Robots.In Computer Vision: Systems,Theory and Applications,World Scientific Press,pp.1993,1-13
[2]黄鹏,RoboCup 小型足球机器人运动策略的研究:[硕士学位论文],天津;河北工业大学,2004
[3]季秀才,RoboCup 小型组机器人运动控制研究:[硕士学位论文],长沙;国防科技大学,2003
[4]http://www.robocup.org
[5]http://www.robotschina.com
[6]http://robocup.mac.cornell.edu
[7]http://www.itee.uq.edu.au/%7Ewyeth/F180%20Rules/index.htm
[8]程福,RoboCup 小型足球机器人动态性能及踢球器的研究:[硕士学位论文],天津;天津大学,2004
[9]张翮,全方位移动机器人的建模与控制:[硕士学位论文],杭州;浙江大学,2005
[10]郑志强,小型组机器人足球系统研究,机器人技术与应用,2004(3):13-16
[11]钟碧良,机器人足球系统的研究与实现:[博士学位论文],广州;广东工业大学,2003
[12]周科,RoboCup 小型组(F-180)足球机器人的运动控制和路径规划:[硕士学位论文],杭州;浙江大学,2004
[13]孙刚,李永新,皮骄阳等,RoboCup 小型足球机器人的运动分析与控制,自动化与仪表,2003(6):48-51
[14]赵冬斌,易建强,邓旭玥,全方位移动机器人结构和运动分析,机器人,2003,25(5):394-398
[15]李永新,李尚荣,杜华生等,F-180 足球机器人结构设计与仿真分析,机电工程,2003,20(6):56-60
[16]耿淑琴,RoboCup 小型足球机器人紧急避碰问题的研究:[硕士学位论文],天津;天津大学,2004
[17]陈盛,李永新,李尚荣,RoboCup 小型足球机器人红外测距系统设计,自动化与仪表,2003(4):22-25
[18]孙刚,足球机器人控制系统设计及算法研究:[硕士学位论文],合肥;中国科技大学,2004
[19]陈万米,RoboCup 小型组足球机器人小车的运动性能研究:[硕士学位论文],上海;上海大学,2002
[20]王明昕,移动机器人运动学分析研究及本体结构设计:[硕士学位论文],南京;南京航空航天大学,2004
[21]纪中清,丁先和,全方位行走 AGV 及其控制系统,组合机床与自动化加工技术,1993(2):19-21
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[23]王仲民,储健,王金城等,一种智能医疗机器人行走机构的研究,机械设计与制造,2004(5):88-89
[24]马全军,陈振华,邓寅喆，全方位行走 AGV 轮系的研究,机电工程,2002,19(1):45-47
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[26]王磊,孙增圻,足球机器人结构设计研究,电子机械工程,2004,20(5):29-34
[27]杨福广,周风余,全方位轮式运动机器人控制器设计与实现,系统工程与电子技术,2003(2):132-135
[28]李尚荣,足球机器人结构设计中的惯性问题分析,第五届海内外青年设计与制造科学会议,142-145
[29]闫国荣,张海兵,一种新型轮式全方位移动机构,哈尔滨工业大学学报,2001,33(6):854-857
[30]匡生,攀登珠峰机器人移动机构设计、分析与控制器开发:[硕士学位论文],沈阳;东北大学,2002
[31]吕伟文,全方位轮移动机构的原理和应用,无锡职业技术学院学报,2005,4(2):15-23
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[33]张海兵,轮式全方位移动机构的研究:[硕士学位论文],哈尔滨;哈尔滨工业大学,2001
[34]徐勇明,张培仁,郑旭东,四轮 F180 型机器人的设计与控制方法,2004 中国机器人足球比赛暨学术研讨会论文集,2004:164-169
[35]陈盛,李永新,朱璐等,全向移动机器人的结构设计与姿态控制研究,2004中国机器人足球比赛暨学术研讨会论文集,2004:127-133
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[41]张翮,熊蓉,储健等,四轮万向移动机器人运动控制,2004 中国机器人足球比赛暨学术研讨会论文集,2004:271-275
[42]刘开周,董再励,孙茂相,一类全方位移动机器人的不确定扰动数学模型,机器人,2003,25(5):399-403
[43]刘开周,移动机器人具有不确定性扰动建模与鲁棒控制:[硕士学位论文],沈阳;沈阳工业大学,2002
[44]杨福广,一种全方位移动机器人控制系统研究:[硕士学位论文],青岛;山东科技大学,2000
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[47] 邱宣怀,机械设计,北京:高等教育出版社,2002
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[49]李艳,林廷圻,高峰,一种 3 自由度移动机器人的动力学模型,机械科学与技术,2004,23(4):405-407
[50]李艳,林廷圻,高峰,一种 3 自由度自动导引车的运动学建模与仿真,系统仿真学报,2003,15(4):479-481
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[52]李嗣福,计算机控制基础,合肥:中国科学技术大学出版社,2001
[53]黄庆成,洪炳镕,全自主足球机器人体系结构的研究,微型机与应用,2004(10):52-55
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[55]孙桓,机械原理,北京:高等教育出版社,1993
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