基于粘滑原理的球形检测机器人原地转向运动时变滑模控制方法研究

A time-varying sliding mode control method for turning in place motion of a inspection spherical robot based on stick-slip principle is proposed. The dynamic model of turning in place motion of the spherical robot is constructed by the combination of multi-body dynamics theory and moment of momentum theorem, and the mathematical model of friction is built by the combination of Coulomb model and Stribeck model for the compensation of driving force. The turning in place motion of spherical robot is realized by trajectory planning of the driving unit based on stick-slip principle, and the endurance of the spherical robot is enhanced by a lowest energy consumption optimization mechanism. A time-varying sliding mode control method is proposed for turning in place motion, which features robustness to disturbance and can reduce the initial torque and response time of the system. A offline global optimization algorithm is utilized to optimize the time-varying sliding mode control law based on time optimal mechanism. The target is to find a turning in place motion control method of spherical robot, by which the robot can turn in place in different pipeline environment with controllable angular displacement of which the control accuracy is less than 1 degree and the position error is in 3 percent.

提出一种基于粘滑原理的球形检测机器人原地转向运动时变滑模控制方法。通过多体动力学理论及动量矩定理相结合的方式建立球形机器人原地转向动力学模型，并采用库伦模型与Stribeck模型相结合的方法建立摩擦力模型对驱动力进行补偿；设计基于粘滑原理的驱动单元轨迹规划函数实现球形机器人原地转向运动能力，并建立基于能耗最低原则的参数优化机制，提高机器人的续航能力；提出一种时变滑模控制方法对机器人进行原地转向运动控制，该方法对不确定扰动具有鲁棒性，能够减小系统初始控制力矩和响应时间。建立基于时间最优原则的优化函数，通过离线方式采用全局寻优算法求解时变滑模控制律的优化问题。预期目标为：建立一种球形机器人原地转向运动控制方法，使球形机器人在不同管道环境中实现角位移可控的原地转向运动，角位移控制精度在1 以内，位置误差控制在3%以内。

未来20年，世界范围内将进行一场大规模的经济发展模式和产业结构变革，其核心内容是建立低碳经济发展模式及低碳社会消费模式，伴随着世界各国节能减排、走低碳经济之路而带来的必然是异常大规模的能源消费结构以及运输方式的重大变革，石油、天然气将占能源消费的统治地位，而管道运输也将成为全球工业和经济的命脉。因此，对油气管道定期检修和维护任务，以保证其无故障运行，成为提高未来油气能源运输安全与效率的关键所在。而球形机器人作为近年来被广泛关注的新型移动机器人，结构紧凑、运动灵活、自我保护能力强，在油气管道检测领域具有不可替代的优势。. 项目针对球形机器人在管道中的运动灵活性问题，提出一种基于粘滑原理的球形机器人原地转向运动时变滑模控制方法，通过控制驱动单元粘滞阶段与滑移阶段产生的惯性力，实现角位移可控的原地转向运动。首先通过多体动力学理论结合动量矩定理建立了机器人原地转向运动动力学模型，并利用库伦模型与Stribeck 模型相结合的方法对摩擦力进行补偿，获得了驱动单元运动速度、球壳转速与摩擦力三者之间的关系，为控制方法验证提供了理论基础；然后将每一步原地转向运动分为粘滞阶段和滑移阶段，设计了余弦轨迹规划函数控制驱动单元在各阶段的惯性力，利用时变滑模控制方法增强系统对不确定扰动的鲁棒性，实现了球形机器人转角可控的原地转向运动，并通过仿真验证了控制方法的有效性；最后搭建了球形机器人实验系统，实验数据表明机器人角位移运动灵敏度达到1°，相对位置误差为期望值的3%。依托该项目发表论文3篇，其中SCI论文2篇。. 该项目的完成，理论方面为球形机器人研究领域提供了一套运动原理分析、动力学建模、摩擦力辨识及补偿方法，能够解决现有球形机器人运动模型不适用于原地转向运动的局限，该方法同样适用于其他构型球形机器人动力学建模。同时，为球形机器人运动控制提供一套完整的驱动单元轨迹规划、惯性力建模及分析、动力学仿真及参数优化方法；实际应用方面，能够使球形机器人零半径转弯，增强其对管道环境的适应能力，并使其能够在原地位置进行360度“环视”动作，扩大球形机器人在管道中的视野，为其能够早日应用于油气管道检测领域提供理论与实验依据。