具有轮地敏感性的球形机器人磁流变主动抑振控制研究

球形机器人结构小巧，转弯灵活，适宜在非结构化环境下进行自主探测。但是内置悬架在电机反力矩作用下处于欠驱动振荡状态，严重影响机器人运动的柔顺性和稳定性。本项目提出利用磁流变效应对内置悬架进行主动抑振的新思路。在揭示球形机器人内置悬架振荡机理的前提下，研究转动阻尼对振荡的影响规律；针对内置悬架的结构特点，提出旋转式磁流变阻尼器，对其结构参数进行多目标优化，建立参数化的动力学模型；结合能量耗散形式的拉格朗日方程和虚功原理，提出平衡摆角的概念，建立悬架状态在内的球形机器人姿态控制模型；提出具有滚动摩阻在线观测能力的内置悬架主动自适应控制方法，研究一类变质心非完整约束模型，进而建立具有悬架抑振功能的球形机器人双闭环自适应控制策略，在保证悬架抑振的同时，使其对轮地接触力具有敏感性。研究结果能显著提高球形机器人的运动性能，具有理论价值和现实意义。

球形机器人作为一种地面移动平台，具有结构小巧，转弯灵活等诸多优点，非常适合在野外搜救、军事侦查、星球探测等非结构化环境下进行自主探测。本项目围绕球形机器人在运动控制中遇到的欠驱动动态、非完整约束、强耦合特性、不确定性干扰等关键科学问题开展相关研究工作，揭示了球形机器人的内置悬架振荡机理，建立了一类具有动态平衡点的本质稳定欠驱动机械系统全姿态动力学模型，提出了基于磁流变效应的内置悬架减振设计结构与主动抑振控制方法，通过构造地面滚阻观测器实现了球形机器人对不确定性地面阻力的快速鲁棒感知。根据动态平衡点特征将球形机器人与两轮车进行比较研究，揭示了本质稳定和不稳定两类欠驱动系统的零动态演变规律，研究了受二阶非完整约束的欠驱动移动平台平衡-跟踪协调协同控制方法，提出了解决多控制目标的分层协调控制理论。综合以上研究成果，最终形成了一种基于鲁棒抗干扰观测器的运动/力协同设计的方法理论体系，开发出一套基于顶层优化-底层控制的分层协调控制策略，能够同时实现欠驱动机械系统的悬架抑振、车体平衡、轨迹跟踪等控制目标。围绕上述研究内容，本项目发表SCI、EI检索的期刊论文27篇(含录用)，论文绝大部分发表在Nonlinear Dynamics、ASME Transactions等本领域著名期刊上，申请或录用获得授权发明专利6项，软件注册权1项，培养硕士研究生5人。以上理论和方法能够更好的应用于球形机器人等欠驱动地面移动装备控制系统设计中，在不增加机械结构设计成本的同时，显著提高该类机器人在复杂多变的非结构化环境下中的运动精度与地面适应性。该项目的研究成果能够促进移动机器人推广，具有理论研究和实际应用双重价值。