变结构独轮车机器人转弯平衡的力学机理研究

Unicycle robot is a novel wheel-typed robot system with the ability of omnidirectional movement. This type of robot has the advantages of compact structure, excellent maneuverability and energy saving, which can be potentially used in the fields of express delivery, military reconnaissance etc. The primary issue needed to be considered for a unicycle robot is dynamic balance keeping. Our project presents a unicycle mechanism with six actuated degree of freedom (DOF) and proposes a dynamical model for the system. The focuses of our work are on the robot's dynamical characteristics and its balanced turning mechanism. Firstly, By consi- dering the nonholonomic constraint between the robot's wheel and contacting ground, we develop an under-actuated dynamic model for the unicycle robot system. Then, based on the developed model, we analysis the coupling relationship between system's leanings and the turning. Next, we reveal the possible factors which would influent the balanced turning and derive the constrain ranges of these factors in which the system can keep stable. Finally, we construct a physical prototype to validate our analytical result. The successful implementation of our project can lay a good foundation for engineering applications of the unicycle robot. In addition, our unicycle robot can also be taken as an ideal platform to estimate the performances of control algorithms which is of tremendous theoretical significance for other research work about dynamic balance keeping of under-actuated system which suffers from nonholonomic constraint.

独轮车机器人是一种体型狭小、结构简单、节能环保的全方位移动机器人，可作为新型的代步工具在交通运输和军事侦察上有着潜在的应用前景。独轮车机器人实现上首要解决的是动态平衡问题。本申请设计一种具有6个驱动关节的变结构自主移动独轮车机构，研究这种独轮车机器人在非完整约束下的欠驱动力学建模，以及该机器人转弯平衡的动力学特性和调整机理问题。通过对其与地面间的非完整约束分析，建立系统的欠驱动力学模型，分析系统转弯和各向倾倒的内在耦合关系，揭示可能影响转弯平衡的因素，根据变结构独轮车机器人的设计，给出影响转弯平衡的结构参数范围，最终搭建物理样机，通过简单的控制算法进行实验验证并分析结果。项目实施可为独轮车机器人的工程应用打下基础，此外，独轮车机器人作为验证新控制理论算法的又一理想平台，其研究对探索欠驱动非完整约束系统的动态平衡控制问题具有重要的理论意义。

独轮车机器人是一种体型狭小、结构简单、节能环保的全方位移动机器人，可作为新型的代步工具，在交通运输和军事侦察上有着潜在的应用前景。独轮车机器人实现上首要解决的是动态平衡问题。为此，项目完成了独轮车机器人的机械结构设计，并在设计过程中考虑了该结构具有独轮车机器人本体的俯仰、航向、侧向方向的调整功能，以及结构参数可调功能；分析了车轮与地面间的非完整约束关系，建立了基于查普雷金方程的系统力学模型，并提出了一种机械化的建模方法，该方法可解决模型输出冗长繁杂、计算效率低下的问题，经过物理样机实验测量，该力学模型与控制算法的总运算时间在30us以下；借助MATLAB和ADAMS软件，设计了基于力学模型的部分反馈线性化控制器、LQR控制器，完成了系统侧向、俯仰、前后左右综合平衡、圆周平衡运动控制，验证了控制算法的可靠性；搭建了2台物理样机：一台固定结构参数的物理样机，该样机以数字信号处理器(DSP)和惯性测量单元(IMU)传感器为基础，采用多信息融合技术，完成了物理样机各模块的基本功能调试；一台变结构参数的物理样机，该样机采用基于工控机的分布式测控系统，包括上位机(工控机)和下位机(4个DSP及其外围电路)，上下位机之间通过串口进行通信，该测控系统具有更快的数据传输与数据处理能力；借助MPC2000型转动惯量测试仪和三维建模软件对机器人几何、物理参数进行测量，保证了系统结构参数的精确性；完成了样机的关节速度跟踪性能测试、电流响应性能测试、电流与力矩拟合实验，为速度模式和电流模式驱动机器人关节运动提供可能；完成了机器人物理样机单方向、多方向耦合平衡控制试验，以及一系列几何物理参数变化的平衡控制试验。该项目的研究为独轮车机器人的应用提供了理论与实验基础。项目发表论文7篇，申请专利41项，其中发明专利21项，授权6项，实用新型专利19项，授权17项，软件著作权1项，培养硕士研究生4名。