多自由度兩輪自平衡機器人技術(shù)研究

多自由度兩輪自平衡機器人技術(shù)研究兩輪自平衡機器人是一種近些年發(fā)展起來的新式移動機器人，具有重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、靈活機動、零轉(zhuǎn)彎半徑等優(yōu)點，非常適合在狹小和擁擠的環(huán)境中使用，同時它可以作為一種便捷的運輸和載人工具，有著廣泛的應(yīng)用前景。此外，兩輪機器人是一種復(fù)雜的欠驅(qū)動非線性系統(tǒng)，深入開展兩輪機器人的多種控制方法的研究，還可以為某些航空器或航天器、精密儀器和機器人等領(lǐng)域的非線性系統(tǒng)的控制提供技術(shù)方法指導(dǎo)，具有重要的學(xué)術(shù)價值。當(dāng)將傳統(tǒng)兩輪機器人作為代步工具時，使用者是站立駕駛的，長時間的騎行容易使駕駛者產(chǎn)生疲勞。另一方面，在加減速和上下坡時，傳統(tǒng)兩輪機器人本體無法保持始終直立，這將導(dǎo)致乘坐者感覺不舒適和不安全。當(dāng)使用該平臺運輸液體或其他要求始終保持直立的精密設(shè)備時，還容易造成事故。此外，當(dāng)機器人進行高速轉(zhuǎn)向時，由于離心力的作用，機器人將面臨傾覆的危險。針對傳統(tǒng)兩輪機器人的這些不足，本文提出了一種多自由度兩輪機器人系統(tǒng)，圍繞提高兩輪自平衡機器人的穩(wěn)定性、機動性和安全性來開展研究。本文的主要研究內(nèi)容和取得的成果如下：1）針對主動配置重心位置的要求，研制了一種多自由度兩輪機器人，并詳細給出了機器人的機械以及控制系統(tǒng)的構(gòu)建方法和實現(xiàn)途徑。所研制的機器人具有重心前后平移和左右擺動自由度，通過動態(tài)調(diào)整機器人重心的位置，有效地改善了傳統(tǒng)兩輪機器人的性能。2）針對準確測量機器人姿態(tài)的要求，開展了機器人傳感器的信號處理和融合方法的研究。在詳細分析了傳感器安裝位置和測量方法對測量結(jié)果的影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出了一種針對測量結(jié)果進行補償?shù)姆椒?，并采用卡爾曼濾波方法對多傳感器信息進行了有效融合，從而以低代價手段實現(xiàn)了準確的姿態(tài)測量。3）對多自由度兩輪機器人的運動規(guī)律展開了深入研究，建立了機器人的運動學(xué)和動力學(xué)模型，其中，動力學(xué)模型解耦為直行動力學(xué)和轉(zhuǎn)向動力學(xué)。在適當(dāng)條件下對直行動力學(xué)進行處理，使機器人復(fù)雜的動力學(xué)得到了簡化，極大地方便了機器人控制器的設(shè)計。此外，在所獲得的機器人動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，對機器人的動力學(xué)特性進行了研究，得到了機器人運動穩(wěn)態(tài)的規(guī)律。4）對機器人傳動機構(gòu)的摩擦模型參數(shù)辨識問題展開了研究，建立了準確的傳動機構(gòu)的摩擦模型，并基于滑模控制方法，設(shè)計了帶有摩擦補償?shù)聂敯羝胶饪刂破?。然后，提出了機器人的直行和轉(zhuǎn)向控制策略：利用降階后的直行動力學(xué)模型，給出了機器人直行控制策略，即在機器人平衡控制的基礎(chǔ)上，通過動態(tài)控制滑塊來控制機器人行進；轉(zhuǎn)向控制方面，設(shè)計了機器人的轉(zhuǎn)向控制器，并通過對搖擺角度的控制，實現(xiàn)了對機器人轉(zhuǎn)向的防傾覆控制，提高了機器人轉(zhuǎn)向時的穩(wěn)定性。采用ADAMS與MATLAB的動力仿真實驗，驗證了控制方法的有效性。5）對多自由兩輪機器人平臺進行了物理實驗研究。包括平衡控制實驗、平地行走實驗、坡面行走實驗和轉(zhuǎn)向行走實驗，實驗結(jié)果全面驗證了機器人的平