多自由度兩輪自平衡機(jī)器人技術(shù)研究

多自由度兩輪自平衡機(jī)器人技術(shù)研究兩輪自平衡機(jī)器人是一種近些年發(fā)展起來的新式移動機(jī)器人，具有重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、靈活機(jī)動、零轉(zhuǎn)彎半徑等優(yōu)點(diǎn)，非常適合在狹小和擁擠的環(huán)境中使用，同時(shí)它可以作為一種便捷的運(yùn)輸和載人工具，有著廣泛的應(yīng)用前景。此外，兩輪機(jī)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(jī)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(jī)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(jià)值。當(dāng)將傳統(tǒng)兩輪機(jī)器人作為代步工具時(shí)，使用者是站立駕駛的，長時(shí)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(shí)，傳統(tǒng)兩輪機(jī)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(yùn)輸液體或其他要求始終保持直立的精密設(shè)備時(shí)，還容易造成事故。此外，當(dāng)機(jī)器人進(jìn)行高速轉(zhuǎn)向時(shí)，由于離心力的作用，機(jī)器人將面臨傾覆的危險(xiǎn)。針對傳統(tǒng)兩輪機(jī)器人的這些不足，本文提出了一種多自由度兩輪機(jī)器人系統(tǒng)，圍繞提高兩輪自平衡機(jī)器人的穩(wěn)定性、機(jī)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(jī)器人，并詳細(xì)給出了機(jī)器人的機(jī)械以及控制系統(tǒng)的構(gòu)建方法和實(shí)現(xiàn)途徑。所研制的機(jī)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(jī)器人重心的位置，有效地改善了傳統(tǒng)兩輪機(jī)器人的性能。2）針對準(zhǔn)確測量機(jī)器人姿態(tài)的要求，開展了機(jī)器人傳感器的信號處理和融合方法的研究。在詳細(xì)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(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ⒉捎每柭鼮V波方法對多傳感器信息進(jìn)行了有效融合，從而以低代價(jià)手段實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的姿態(tài)測量。3）對多自由度兩輪機(jī)器人的運(yùn)動規(guī)律展開了深入研究，建立了機(jī)器人的運(yùn)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(jìn)行處理，使機(jī)器人復(fù)雜的動力學(xué)得到了簡化，極大地方便了機(jī)器人控制器的設(shè)計(jì)。此外，在所獲得的機(jī)器人動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，對機(jī)器人的動力學(xué)特性進(jìn)行了研究，得到了機(jī)器人運(yùn)動穩(wěn)態(tài)的規(guī)律。4）對機(jī)器人傳動機(jī)構(gòu)的摩擦模型參數(shù)辨識問題展開了研究，建立了準(zhǔn)確的傳動機(jī)構(gòu)的摩擦模型，并基于滑?？刂品椒ǎO(shè)計(jì)了帶有摩擦補(bǔ)償?shù)聂敯羝胶饪刂破?。然后，提出了機(jī)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(jī)器人直行控制策略，即在機(jī)器人平衡控制的基礎(chǔ)上，通過動態(tài)控制滑塊來控制機(jī)器人行進(jìn)；轉(zhuǎn)向控制方面，設(shè)計(jì)了機(jī)器人的轉(zhuǎn)向控制器，并通過對搖擺角度的控制，實(shí)現(xiàn)了對機(jī)器人轉(zhuǎn)向的防傾覆控制，提高了機(jī)器人轉(zhuǎn)向時(shí)的穩(wěn)定性。采用ADAMS與MATLAB的動力仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了控制方法的有效性。5）對多自由兩輪機(jī)器人平臺進(jìn)行了物理實(shí)驗(yàn)研究。包括平衡控制實(shí)驗(yàn)、平地行走實(shí)驗(yàn)、坡面行走實(shí)驗(yàn)和轉(zhuǎn)向行走實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果全面驗(yàn)證了機(jī)器人的平