双轮自平衡机器人研究综述针刺机

双轮自平衡机器人研究综述

双轮自平衡机器人研究综述 2012年09月03日 摘要：双轮自下衡机器入是一种特殊轮式整动机器人，具有多变量、非线性、强耦合、参数不确定性等动力学特性。对其进行深入探讨具有一定的科学研究和实际应用价值。本文综述了国内外双轮自下衡机器人的研究现状，分析了研究中存在的间题，并指出了自平衡机器人的发展趋势。 整动机器人因为在于各行各业有着广阔的应用前景，已经成为机器人研究领域的一个重要分支。按其整动方式分类，有轮式、履带式、腿式、推进式等，其中轮式整动机器人具有成本低、结构和控制简单、能量利用率高等特点而得到广泛应用。所以，轮式整动机器人的实用价值和理论价值非常高。 双轮自平衡机器人(如图1所示)是一种特殊的轮式整动机器人，其概念是20世纪80年代提出来的，属于轮式机器人中的一种，并且结合了自主整动的思想。其于作原理源于倒立摆的控制原理，经过对其进行动力学模型建立和分析，可以知道其系统是非线性、强耦合、多变量和自然不稳定的系统，是检验各种控制理论的理想模型，成为了国内外学省。研究的热点。 由于这种机器人可以自我平衡，扩展了它适应地形变化的能力，运动灵活、行驶速度和倾斜加度可以调节。通过两轮的差动输入可以实现零回转半径和u型回转等优点。并且有着结构简单、运动灵活、适合在狭小和危险的空间内工作，因此，在于民用、军用上都有着广泛的应用前景。所以，双轮自平衡机器人的研究是一个有很强的教学价值和广泛的市场应用价值。1、国内外研究现状 双轮自平衡机器人的相关研究开始于二十世纪80年代，由日本东京电信人学自动化系的山藤一雄教授提出了类似的设计思想，在1987年就申请了技术专利，并于1996年在日本通过了专利申请。 1995年美国著名发明家迪安·卡门开始研制Segway，直到2001年12月，这项高度保密的新发明才公布出来，2003年3月正式在于美国市场上市。Segway独特的动态稳定技术与人体的平衡能力相近，五个便宜的同态陀螺仪、倾斜传感器、高速微处理器和电动机每秒100次检测车体姿态，测出驾驶者的重心，瞬间完成计算，以每秒20000次的频率进行细微调整，不管什么状态和地形都能自动保持平衡。目前，segway共拥有三个主要产品系系列HT、XT与GT，但其中最早登场的Segway HT又依照需求差异，还更细分为多种尺码、输出与用途不同的系列。 2002年瑞十联邦于学院的Aldo D arrigo等人也研究了类似于Segway的一种无线控制的双轮整动机器人，该机器人高650m、重约12kg，最大速度可以达到1.5m／s，可以30度爬坡。机器人双轮同轴布置，分别有独立的电机驱动。机器人通过倾斜传感器和倾加传感器术检测机器人的本体的倾斜加度和机器人的倾斜加速度，每个电机上各有一个编码盘来检测电机的速度，并由此来获得机器人的加速度和惯性力。采用了状态反馈线性控制和极点配置方法，能实现平衡，不过不能自己倒地状态伙复到直立。 2003年美国Southern Methodist University的David P．Anderso自独立设计的双轮整动机器人nBot，被评为自ASA’S“Cool Robot of the Week”。 该机器人体积较大，结构复杂。其主要设计思想是：驱动轮子朝机器人上部分倾斜的方向前进，并伎之保持在重心位置之下，机器人可以保持平衡。机器人采用两种传感器用于反馈控制，倾加传感器来测量重心的倾斜程度，每个轮子上各安装有编码计来获得机器人的位置信息。该机器人采用了模糊控制方法，能够实现平衡，不过不能自己倒地状态恢复到直立。 西澳大利亚大学也于2003年设计了一个自平衡两轮小车用于研究基于卡尔漫滤波器的传感器信息融合，其采用了LOR控制和极点配置来实现小车的平衡控制。 在于2004年左右，日本开始对于双轮自平衡机器人进行了商业性的研究，起初的设计跟美国的Segway的造型差不多，不过在于2005年就有了自己的新商品Segway PMP一2，其的外部造型和大部分零件做了很大的修改，不过大多数专家认为这些变革使得Segway的商品性能变差，能实现平衡，不过也是不能自己倒地状态恢复到直立。 此后，国外很多机器人爱好者也开始了对于双轮自平衡机器人的研究，并把自己研究的成果在于网上公布，因此，网络上出现了很多的类似的机器人，例如，乐高自平衡机器人、自平衡滑行下等都实现了平衡控制阳。 国内对于双轮自平衡机器人的研究起步比较晚。 2002年10月，台湾经济部门于业局人量收集了Segway的相关资料，提供给国内厂商参考，并鼓励厂商利用政府科研的专项基余开发类似的产品。台湾固立中央人学电机于程研究所研制了两轮自我平衡机器人，该机器人由个人电脑通过无线通信取得陀螺仪和编码器的讯号，经过模糊控制等控制算法处理之后，发送相对应的控制信号给FPGA，由FPGA送出相应的脉冲信号来控制机器人做前进、后退等动作。连续五年的改进之后，机器人能够完成了各种各样的动作，不过还是没有实现直立。 同年，河南科技大学机电于程学院联合洛阳北方企业集团有限公司对该项目进行了攻关和开发研究。2003年7月制作出了第一台样机。它由高性能微处理器、姿态传感器、智能软件等组成控制系统，实现对小车的行走平衡控制。随后进行的行走平衡控制试验验证了控制系统、控制策略设计的合理性和有效性。该项目在双轮行走平衡控制技术方间处于国内领先水平。 2003年，中国科学技术大学自动化系和力学系多位教授、博导、博士、硕士研究生和本科生联合研制完成自平衡电动代步车(Free Mover)，是实用的双轮平衡下，已经能够实用化。该车利用倒立摆控制原理，使车体始终保持平衡。在车体内嵌入式cPu的控制下，采集平衡传感器以及速度、加速度传感器的数据，通过建立的系统数学模型和控制算法，计算输出PWM信号，自动控制两个伺服电机的转矩，使车体保持平衡并能够根据人体重心的偏整，自动前进、后退及转弯。 2005年，哈尔滨于程大学尹亮也在于自己的博客上公布了自己制作的双轮整动机器人Sway，采用AD公司推出的双轴加速度传感器ADXL202术检测其下体倾斜加度，采用反射式红外线距高传感器测量距离，应用线性控制方法实现了机器人的平衡。 另外，国立台湾科技大学、上海交通大学、西安电子科技大学、哈尔滨工业大学、北京邮电大学、北京航空航天大学、北京于业大学等很多学校也开始了对于双轮自平衡机器人的研究，并且取得了一定的成果。与此同时，国内的很多机器大爱好省。也开始对于自平衡机器人进行了研究，并且在于网上公布了自己的研究成果，其中由三个清华大学毕业生组成的研究小组的研究取得了巨人的成果。他们研究的chegway 自平衡机器人已经达到第四代，并且也与日江电器合作，开始准备投入量产量。2、存在的间题 上述的研究的极限性也体现在以下几个方面： (1)没有能够实现双轮自平衡机器人的直立； (2)由于机器人的整体大小和调节范围有限，以及平衡质量大小有限，因此，在承载情况下只能进行有限的稳定调节，这就限制了双轮自平衡机器人的承载能力。 (3)由于其承载能力和目前的蓄电池技术的原因，双轮自平衡机器人的能源供应也存在这一定的间题。 (4)由于现实当中驾驶双轮自平衡机器人的人的体型和体重等各个方面都不一样，在于设计的时候不能很好地和人结合起术分析和建模，不能很好地分析出人驾驶双轮自平衡机器人时候的力学本质，也不能较好的实现其控制机理。3、展望 由于双轮自平衡机器人的本身的市场定位，就要求了其要在以下几个方面不断的发展和提高： (1)动态平衡整动机器人在没有人为帮助前提下能够仅靠自身从倒地状态恢复到一路直平衡状态的平衡过程我们称之为自主式动态平衡。从力学的加度讲，在无人帮助时必须通过某种方式产生一种克服机器人本体重力的外力或力矩，才能使机器人从翻倒转变到一路直状态，并且更为重要的是这个外力或力矩大小和方向必须可控。因此需要研究如何才能产生这个力或力矩的平衡机理，进而实现双轮自平衡机器人的直立。 (2)空载、负荷、前进、后退、旋转以及刹车等各种运动状态、各种环境下以及对于不同的体型和体重的驾驶者如何保持下体系统平衡的问题。 (3)从耗能效率的加度考虑，我们在选择控制方案时，可考虑将控制作用相绝对值积分最小作为重要擗标，保证系统在满足动态性能的前提下，运动单位距离消耗的能量最小。这就意味着在相同的电池电量消耗条件下，小车可以运动的距离更远，这一点对于产品化的设计是重要的。 所以，高稳定性、低能耗性、高适应性以及高承载能力将是双轮自平衡机器入的主要发展趋势和必然要求。

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