走钢丝机器人在柔性钢丝绳上行走的力学机理及稳定平衡技术研究

Rope-walking robot is a kind of electromechanical system of statically unstable and dynamically stable, which keeps stable balance by the dynamic coupling actions between its body and the flexible rope.As a system working in high air, rope-walking robot will not be affect by the ground environment, so it can be potentially used in the wild field exploration and the entertainmental performance. Our application designs a rope-walking robot by considering the characteristics of mankind walking on a rope.The robot is configured with a rotational stick to regulate its tilting angle. In order to achieve stable balance state, we develop a rigid- flexible coupling model for the system by comprehensively considering the robot's rigid motion and the walking rope's flexible motion, and construct a model-based decoupling controller for the system with differential geometry theory. Moreover, accounting for that dynamic parameters have great effect on the robot's balance but their exact values are usually not easy to be obtained, we introduce parameters identification for improving the parameters adaptability of the robot system. The emphasises of our project are on the development of a rope-walking robot prototype，the dynamics analysis and the control realization methology of the robot's stable balanced-walking under flexible rope.

走钢丝机器人是一种在钢丝绳上方行走的机器人系统，这种机器人具有静态不稳定而动态可稳定的特点，其本体依靠与柔性钢丝绳的动力学耦合产生约束运动来保持稳定平衡。作为一种可在高空中移动作业的机器人系统，走钢丝机器人不受地形地况的影响，在野外探险、娱乐表演方面具有潜在的应用。本项目根据人类走钢丝的特点，设计一种依靠平衡杆调整身体侧向倾角的走钢丝机器人。为了达到良好的平衡性能，研究综合考虑走钢丝机器人本体的刚性运动和钢丝绳的柔性振动对系统平衡运动的影响，建立系统刚柔耦合的力学模型，以此为基础，根据微分几何非线性等现代控制理论设计解耦平衡控制器。另外，考虑到动力学参数对走钢丝机器人的平衡运动具有重要影响，但这些参数通常难以直接测量得到，项目还引入动力学参数在线辨识增强系统的参数适应能力。项目重点在于走钢丝机器人实验平台的搭建、力学机理分析以及其在柔绳下平衡行走的控制策略与实现。

走钢丝机器人是一种在钢丝绳上方行走的机器人系统，它具有静态不稳定而动态可稳定的力学特性，既可以用于娱乐表演，也可以用于极端环境下短距离运输、高压线维护除冰等工程领域。动态平衡是实现走钢丝机器人在钢丝上行走要解决的关键问题，项目围绕该问题开展了走钢丝机器人的平衡机理及控制策略研究。项目参考了人类走钢丝的力学原理，设计出了一种具有3个驱动关节的走钢丝机器人机构，使系统同时具有前后俯仰、左右倾斜的平衡调整功能。考虑现实钢丝绳柔性对系统的影响，项目采用多体动力学建模方法建立了走钢丝机器人的刚柔耦合力学模型，结果发现系统具有7个自由度3个驱动输入。另外，项目根据正向分析逆向输出的机械化建模思路，通过符号计算软件自动输出建模结果，得到一种简洁可靠的力学模型，经过基于工控机(IPC)的控制平台测量，该力学模型与控制算法的总运算时间在40us以下，有效地解决了系统模型冗余膨胀的问题。项目利用所建立的动力学模型，借助MATLAB数值仿真软件，分别研究了摆臂摆动、行走轮半径、质心高度以及钢丝绳刚度系数的变化对走钢丝机器人系统输入力矩的影响，结果发现钢丝绳的刚度会影响到独轮、摆臂和平衡杆的输入力矩，且最大输入力矩会在某一刚度上出现，而摆臂摆角也会影响到独轮、摆臂和平衡杆的输入力矩，且最大输入力矩会在某一幅值处达到极小值。项目以工控机、数字信号处理器（DSP）和惯性测量单元IMU、编码器、电流传感器等关键部件为基础搭建物理样机；以C++和C语言为工具开发了系统状态监控软件。基于系统的欠驱特性，项目结合部分反馈线性化方法设计了走钢丝机器人前后俯仰平衡和左右倾斜平衡控制器。最后，项目利用设计的控制器完成了走钢丝机器人俯仰平衡和侧向平衡的物理样机实验。项目研究的相关结论和成果为走钢丝机器人的应用提供了理论与实验基础。项目执行期间，发表会议论文4篇，录用会议论文1篇，录用期刊论文5篇；申请专利99项，其中发明专利48项，授权12项，实用新型专利51项，授权36项；获得软件著作权2项；培养硕士研究生3名。