独轮机器人

独轮机器人的开发和控制：机电一体

化实用方法

J.H. Parka，S. Jungb a大韩民国现代威亚 b大韩民国大田305-764忠南国立大学机电工程系智能系统与情绪工程实验室

摘 要：本文提出了一种机电一体化的方法，使复杂的动力系统为满足所需的要求。机电一体化方法有几个阶段：分析设计，系统集成，传感与控制和评价。机电一体化方法意味着设计，实现，检测和控制的周期被重复执行，直到该系统通过评估满足目标。通过机电一体化方法开发和控制了使用陀螺效应的机器人系统之后，单轮机器人系被取名为GYROBO。GYROBO的目标是要浏览其地形，同时保持稳定的平衡。然而，单轮机器人的成功平衡和导航是相当困难的和具有挑战性的，因为单点接触很容易在侧向倒下。为了达到成功的平衡性能，在运用高级控制算法之前许多问题需要解决。在分析设计，集成，传感与控制和评价这几个阶段中，最重要的阶段是分析设计。然而，由于系统复杂，分析设计不能保证可靠的性能。实用的机电一体化方法是重复进行系统集成，传感与控制，以及评估这个循环。经过若干次修改轮子外壳中内部组件的机械装配和重新布置，简单的线性控制器能够使GYROBO执行成功的平衡和导航。GYROBO能够遵循远程操作员指定的轨迹。平衡，向前和后向行驶，转向，以及攀越GYROBO障碍的控制实验研究是为了演示和评估其功能和支持用机电一体化方法来控制复杂的系统。

文 章 信 息：2011年10月19日收到，2013年5月23日通过，2013年8月12日可在线获取

关 键 词：独轮机器人 陀螺效应 驱动与平衡控制 机电一体化方法

一、 简介

在不同的机器人类别中,移动机器人的研究一直占主导地位。其中一个原因是研究范例从工业机器人到服务机器人转变的这一新趋势。移动性是该服务机器人应具备必要的能力之一。

随着研究的进一步发展移动机器人轮子的数量[1-6]正在减少。移动机器人可分为三组，这种分类是根据轮子与地面接触的点数：面接触，线接触和点接触。 为了满足稳定的行驶性能，传统的由轮子驱动的移动机器人有四个轮子，但作为一个非完整的系统有运动学约束。为了机动，两个后轮用来驱动，两个前轮用来改变方向。移动机器人系统的大部分属于这一类。其中一个四轮移动机器人的缺点转弯时需要较大的空间，这使得这种应用在狭窄空间是不可行的。 三轮机制可以用于一个完整系统产生全方位的运动[7]。全向移动机器人用于室内环境，不需要超速驾驶，但要有良好的可操作性。具有三个或四个车轮的移动机器人都属于平面接触类别，该类别形成了一个平面。四轮式移动机器人形

成一个长方形的平面和三轮移动机器人形成了一个三角平面。

探索两个轮子的移动机器人具有更多挑战性的控制问题，因为它们很容易在前进方向倒下。有两个轮子的移动机器人属于线接触机器人范畴。两个轮子实际上形成一条线，这样它是不稳定的，运动学约束在横向方向上。为了保持平衡，俯仰角控制成为成功平衡和导航的一个重要关键作用。一个成功商业化具有两轮机构的移动机器人是赛格威[1]。在赛格威成功亮相后，两轮式移动机器人的研究，已大幅增加，因为两轮机器人要求挑战先进的控制技术以及机电一体化技术[2-6]。

最后一类是点接触机器人。最近，车轮数降低到1，与地只有一个点接触[8-29]。从控制的角度来看，单轮移动机器人是一个相当具有挑战性的动力系统，因为它很容易摔倒。因此，单轮机器人的控制是上述移动机器人类别之中最困难的。

在文献中，有一些不同的关于单轮机器人的研究文章，通过一个快速旋转的飞轮[8]引起的陀螺效应平以达到平衡。通过组合图1中飞轮的旋转运动和侧倾

运动，单轮机器人可沿着滚动方向做旋转运动。在单轮机器人这方面，Gyrover已经做了许多开拓性的工作，多年前就提出了一些模型。多年的几款车型[9-15]。他在书中总结了他在单轮机器人所做的研究。 在Gyrover的研究之后，过去几年里单轮机器人的研究已大大增加 [16-29]。从单轮机器人的动态建模[16,19,22,25]到控制与实现[18,20]，进行了学多创造性的研究。在文献中，单轮机器人的物理模型被称作Gyrover[15]，Gyrobot[20]，以及GYROBO。在其它方面，一个有趣的单球式移动机器人已经被设计，其成功的平衡控制已得到证明[21,23,24]。带有手臂[17]或上身[26?28]的单轮机器人已经作为扩展被提出。

在先前的研究中，一系列的GYROBO单轮机器人已经被实现了。虽然以前的GYROBO的平衡控制已经得到了证明，但是研究者还是发现了一个振荡行为 [29]。我们发现，要成功控制单论机器人的轨迹跟踪，最困难的任务是系统集成而不是先进的控制算法。这导致机电一体化方法的必要性，如图2所示，机电一体化方法有几个步骤来完成的任务。第一阶段是分析设计，其中也包括模拟研究。第二个阶段是发展实际的物理系统。那么第三个阶段是基于遥感数据应用控制算法。最后一个阶段是评估性能。这些阶段反复进行，直到系统满足该规范。

重复的系统集成，传感与控制，以及评估的这种实用的机电一体化方法已经被用于改善单轮机器人的性能。所有硬件牢固地重新包装在单轮内，以便让重心被定位在车轮的水平轴和垂直轴的中心。这消除了因不对称结构和松配合的零件所带来的不确定性。重新定位在系统中的组件，使其在水平轴对称地分布，这是是为了让系统成功的平衡。虽然重新定位和包装车轮中的配件不能是一个理想的状态，如一个点质量，可事实证明，机械的修改有助于线性控制器提高性能。

表1 GYROBO的变量 X，Y，Z 位置坐标系 轮子的的进动角，倾斜角，滚动角 飞轮的倾斜角，旋转角 R，r 轮子半径，飞轮半径 m，mf 总质量，飞轮的质量 驱动马达的扭矩，侧马达的扭矩，旋转马达的扭矩 ud，ut，ur Ixw，Iyw，Izw 主题的转动惯量 Ixf，Iyf，Izf 飞轮的转动惯量 ?w，?w，?w ?f，?f 采用机电一体化的方法运用到GYROBO以后，平衡和轨迹跟踪控制性能已经大大地改善了。虽然当前版本的GYROBO仍然依靠线性控制器，控制性能已经远远优于以前的控制器。除了侧倾控制意外，偏航角的控制也得地实现，为了操纵其移动的地形。这为复杂的系统保证了机电一体化方法的必要性。通过在一个点接触，独轮机器人前进，后退，沿一条直线或操作人员给出弧形轨迹运动的研究实验，来证明自身的平衡和轨迹跟踪控制性能。

二、 GYROBO的建模

(一) GYROBO的建模

GYROBO的结构是盘类型的移动机器人。图3表示GYROBO的运动学构造。变量列在表1中。

在整个系统中有两个轮子。一个是在前进方向滚动的系统主体车轮，另一个是做