具有非完整约束的自稳定自行车机器人欠驱动动力学系统建模与鲁棒控制

自行车机器人是机器人研究领域的一个难点，其姿态的静态不稳定性及产生稳定运动所需解决的动态平衡问题，对于动力学建模及控制理论的研究来说，具有很大的挑战性。 .本项目模拟人类骑自行车的运动原理，设计一种能够动态自稳定平衡的自行车机器人。搭建自行车机器人实物样机和综合实验平台。加入非完整约束并基于多体动力学的方法从系统动力学角度建立数学模型。同时利用模糊神经网络等方法进行系统模型的结构和参数辨识，两种方法互相结合验证动力学模型，确保模型有效的前提下进行控制系统设计。综合运用近几年来出现的非线性控制方法，为机器人欠驱动系统设计非线性控制器，寻求系统的鲁棒性较强的控制算法。并基于混杂控制理论，寻找最适合自行车机器人的混杂系统描述方法，从而便于对控制系统进行分析与综合和控制工程实现。采用理论分析和实验验证相结合的方法最终设计出能够自稳定平衡的自行车机器人。

本项目模仿人类骑自行车的原理，设计了一种能够动态自平衡的自行车机器人，完成了其实物样机搭建。使用多体动力学方法考虑非完整约束为机器人建立了多种动力学模型。基于非线性控制理论为机器人设计了控制算法，进行了仿真验证和实物样机实验验证。 仿真实验和实物样机实验的结果验证了所做理论分析的有效性。成功的实现了机器人实物样机的直线行走实验和45度、90度原地定车实验和圆周运动实验。项目提出了一种新型的既能够以自行车模式运行又能够以Segway模式运行的新型变结构自行车机器人，搭建了其实物样机。并分别基于凯恩方法、拉格朗日方法、罗斯方法和阿佩尔方法建立了机器人的动力学模型。并基于遗传算法开展了参数辨识研究，对机器人动力学模型中的参数进行了修正。基于机器人姿态调整机构的研究，开展了走钢丝机器人研究。基于机器人传动系统的研究，设计了两款新型的机器人减速器。基于机器人姿态测量的研究，设计了一种新型动态倾角传感器。