单轮机器人 翻译剖析

单轮机器人：实用机电一体化的解决方法引言：这篇文章展了一种机电一体化的方法，是复杂的动力系统满足规范要求。

这种机电一体化的方法有以下几个步骤：分析设计，系统集成，传感与控制，以及方案评估。

这种机电一体化方法意味着周期的设计与实现，检测和控制不断重复，直到系统通过评估满足目标要求。

在使用陀螺效应的机器人之后，一个被叫做GYROBO的单轮机器人进行了系统开发和机电一体化控制方法的研究，其目标是为了在地面上行驶的时候保持平衡性。

然而，对于单轮机器人来说，成功的保持平衡性并在路面上行驶是相当困难和具有挑战性的，由于一个点接触很容易在横向上倾倒。

为了拥有其平衡性，许多问题不得不在申请任何先进行测控实验前解决。

在诸多设计分析方法中（传感与控制，系统集成，方案评估），最重要的是分析设计，然而，分析设计不能保证平衡性成功的表现。

由于复杂的系统体系，实用机电一体化方法是去不断重复设计步骤，经过机械装配和重置车轮壳体内部组件，和结合简单的线性控制器，使GYROBO成功的实现平衡和行驶。

1.GYROBO建模GYROBO 能够按照远程操作员所给的指定轨迹行驶。

平衡控制的实验研究表明，GYROBO前进，后退，转弯，以及翻越障碍都支持机电一体化方法来控制复杂的系统。

在不同的机器人学类中，关于电动机器人的研究已经被重新定位，其中一个原因是最近研究方式的一种新趋势表明产业机器人正在向服务型机器人过度转化，移动性应该是服务型机器人的一个必备能力。

随着研究的进一步发展，似乎单轮移动机器人的数量正在逐步加。

根据其车轮在地面上接触点的数目，可将移动机器人分为三类：平面接触类，线接触类，点接触类。

传统的轮式机器人为了在运动过程中表现良好的平衡性，一般有四个轮子。

但存在运动学约约束，一个完整系统通常后面的两个轮子作为驱动，前边的两个轮子作为方向控制。

大多数移动机器人都属于这一类。

四轮机器人的缺点之一是宽式转动，因此在狭小空间里应用是不可行的。

三轮机械装置能够被用在全方位运动的完整系统中，全方位运动机器人一般用在不需要快速运动但须保持良好的平衡性室内环境中。

三轮式移动机器人属于平面接触类型，四轮型移动机器人形成一个矩形平面，三轮式机器人形成一个三角形平面。

两轮式移动机器人带来许多更具挑战性的控制问题。

因为其在掌控方向过程中更容易倾倒，它属于线接触型机器人，两个轮子实际上形成一条线，因此它是不稳定的同时也约束了横向运动。

为了保持平衡性，轮子的俯仰角成了平衡运动的关键。

一个较为成功的商业化两轮式机器人SEGWAY面市，继SEGWAY后，两轮机器人的研究已经大大的增加，因为他们与先进的机电一体化一起需要更富有挑战性的控制技术。

最后一类是点接触型移动机器人，最近轮子个数已经被减少到一个或者是一个接触点。

从内动力系统而言，单轮式移动机器人更具挑战性，因为它很容易倾倒，因此单轮机器人在控制方面是上述机器人类型中最困难的一个。

在这片篇文章中，有一些不同类型关于单轮机器人的研究报告。

利用陀螺效应平衡高速旋转的飞轮。

一个单轮式移动机器人能够通过组合旋转实现全方位的旋转动作。

它的旋转倾斜运动如图所示XU-Gyrover在单轮机器人的研究方面花费好几年时间研究了几个案例，最终他将单轮式移动机器人的研究成果整理在一本书中。

继Xu-Gyrover 之后，在过去的几年里单轮机器人的研究已经有了巨大幅度的增长，从动力学模型到控制，再到实现运动等等，其中单轮机器人的物理模型已经被Gyrover, Gyrobot在论文中提出并展现了出来。

在其他方面，一个有趣的单球型移动机器人已经被设计出来，同时它的平衡控制已经被成功的展现出来。

在之前的研究中，GYROBO机器人已经被实现了，但这种这种机器人存在震荡现象。

我们发现单轮机器人的成功轨迹跟踪控制的关键是系统集成而不是先进的控制算法，这就导致了机电一体化方法的必要性，正如图.2所示。

机电一体化方法是由几个阶段完成这项任务的，第一阶段是发展实际的物理系统，第二阶段是方案设计，其中包括基于遥感数据应用的控制算法，最后一阶段就是表现评估。

这些步骤将不断重复实施指导找到最佳合理的方案。

重复周期的实际机电一体化集成方法，传感与控制，方案评估已经被进行，为提高机器人的表现，所有硬件都坚实的被包裹在单轮里，使其中心位于水平衡垂的结构和松散耦合部分，这就消除了由不对称结构和松散耦合连接的不确定性。

组件被重新定位在系统的对称部位，使其横轴保持平衡，尽管在轮中重新定位的零件并不是处于最理想的状态，例如质点事实证明，机械变形有助于线性控制器来提高性能。

自从在GYROBO 机器人身上使用机电一体化方法之后，平衡性和轨迹控制性能已经大大的得到改善，尽管当前版本的GYROBO仍然依赖线性控制器，但其控制能力相比之前的一个已经有了显著的提高。

横摆角控制除了侧倾控制功能以外还有适应其它地形，这也正支持了机电一体化方法在复杂系统中的重要性，通过一个实验员所给的实验数据，平衡性和轨迹跟踪控制性能都被成功的证明了。

GYROBO的结构是一个类似圆盘形状的可移动机器人。

表.3展现了GYROBO的运动学构造，各种变量参数如表1所示。

2.飞轮的建模在整个系统中有两个轮子，其中一个是系统中的主轮，它的转动引导方向，另一个是飞轮来产生旋转运动，系统体内的轮子通过改变重心来旋转，，而飞轮则控制平衡运动。

尽管壳体通过橡胶辊字连接主体轮，但主体轮依旧位于壳体内部。

该主体旋转变量时αωβωγω它们分别是旋转角，滚转角，倾斜角。

飞轮变量是fβfγ，它们分别是转角和倾斜角。

因此控制飞轮的俯角来调节GYROBO的主题变量时α，wβ。

w由于GYROBO在平面上运动，因此，笛卡尔速度可以被描述为：其中其中3.控制方案尽管详细的运动学方程已经在图.15中给出，同时模拟研究已经已经在[29]中被展现出来，现在我采用一种基于非模型化的研究方法，它是依赖线性控制器的，而建立的已有参数不一定总是与之真正的心痛相匹配。

集成系统的实际一体化方法使线性控制器来控制单轮机器人，因为引起一种非对称结构和重心的偏离中心，而在调试过程中逐渐被淘汰。

飞轮是使GYROBO 机器人站起来并通过角动量运动使其 达到平衡 的一个关键因素，飞轮 的旋进率f α与倾轴f τ施加的扭矩的交叉乘积的关系。

关于自旋转轴得惯性矩，旋转角速度的关系如图所示。

其中转动惯量有夏式给出：2m 21r I f = 由于转动惯量和旋转角速度恒定，角动量常数为f f y r I 2m 21=期望输出的是角旋进率f α以及输出的是倾斜轴上的扭矩f T 。

为了有足够的旋进率来保持平衡，飞轮的设计参数如直径，宽度，质量的旋转速度，这些来确定飞轮的尺寸和一个适合的直流电动机。

其中选择一个合适的直流电动机是一项关键的任务，然而去找到一个合适的电动机来匹配并不容易，因为其重量和大小也应考虑，而且市场上往往没有合适的型号，这也导致了机电一体化方法重复飞轮的设计。

首先我们假定飞轮以恒定的高速旋转，然后飞轮的倾斜角f β就成为了保障GYROBO 输出平衡的关键因素。

GYROBO 的角度是一个偏转角w α，αd k 一个转角w β和一个俯仰角w γ，滚转角是由直流电机控制的，旋转速度的倾斜角是从旋转轴和飞轮主轴相交叉而得来的，由于旋转轴的旋转速度被设定为一个常数，只有控制回转仪力量的一张控制输出是飞轮的倾斜角。

最终GYROBO 的控制输入量是飞轮的倾斜角f β，这就简化了控制结构，因为其他的控制输入变量都可设为常数。

GYROBO 机器人从3轴测得的转角和俯仰角由于传感器反馈引起错误，PD 控制器控制输入是分开设计滚转角和俯仰角的控制的。

其中px k dx k 是PD 控制器横向倾角，αp k ，αd k 是PD 控制器的偏航角控制，飞轮的的控制输入倾角是两个控制输出信号（4），（5）的总和。

αβu u f +=u ；其中f u 是飞轮倾角的控制输入端。

图.5显示了控制GYROBO 的角控制框图，还有其他的控制输入信号，驱动转矩d u 和自转扭矩c u 以形成开关控制。

因为他们通常被设定为常量，然而找到合适的额驱动转矩控制输入值d u 和旋转扭矩c u 是非常重要的，同时在实验和错误中反复证明找到这个合适的值，这也使得单轮机器人复杂的结构变得简单化了，正如图.5所示。

4.GYROBO 设计GYROBO 真正实现如图.7所示。

三个驱动器，一个驱动马达，旋转马达，和一个可倾斜传动器被用于产生旋转运动，驱动电机产生运动，以及一个倾斜马达和旋转马达的组合产生滚转和偏航运动。

驱动电机驱动车轮，旋转电机驱动的飞轮，传感器和控制硬件是位于顶部的中心。

电池位于在下面，以降低重心。

GYROBO 具有外和内轮，如图.7所示。

本外环轮由橡胶制成与内轮包含所有硬件，外和内轮是由几个连接的辊轮，以使彼此接触。

所有的材料被包装内侧的车轮是内轮，直径和车轮的质量分别是0.45米和11.2千克，。

详细规范本体车轮的化合物列于表2。

飞轮设计在设计中最重要的问题是飞轮。

其通过合成自旋角产生的陀螺效应的高速旋转并移动一个整体的飞轮的倾斜角结构。

但是，飞轮的高速旋转产生振动的原因有很多，如一个不对称飞轮体，从正时皮带非线性，一个松散的自旋轴和松耦合的部分。

飞轮的振动传播到传感器造成不准确感测测量其导致在恶劣的控制性能和不稳定的平衡，因此，对于机电一体化方法而言，抑制振动是一个重要任务，因为大多数的不确定性来自飞轮。

马达和车轮之间的接触是由橡胶制成的轮，如图所示。

8，对于行驶时，驱动电机转动胶轮来改变重心的位置，驱动电机处于内部控制旋转方向，那么的重心点移动到前进方向为图8（a）所示。

在初始驱动，滑移，可能会出现在驱动轮，驱动电机产生由开环驾驶运动控制。

5.硬件设计当前的系统具有三个不同的传感器，倾斜，陀螺仪，和的编码器。

陀螺仪传感器可以测量3轴角运动。

图9示出获得从陀螺仪传感器的数据的框图。

虽然陀螺传感器提供了三个坐标轴数据，两轴数据被使用，因为偏航角数据是不是由于可靠传感器的分辨率还未知。

整体控制的硬件结构的构成如图所示图.10，一种DSP芯片被用作用于管理传感器的主控制器信号处理，控制算法的计算和PWM一代电机驱动器。

陀螺仪传感器是用于测量轮子偏航角和倾斜角度。

操纵杆可以命令所需的信号，以GYROBO通过无线通信远程地在所需旋转速度的V和所需的驱动速度d v，如图.5。

f6.实验研究6.1通过侧倾角控制平衡任务首先，在描述的平衡控制任务已经过测试图.11，采样时间设置为20毫秒。

四杆安装在左，右手侧，以保护系统，当它落在倒在地上。

在同一个接触点平衡控制由单轮机器人在地面时的向前推进。

在该实验中，一个滚转角被控制着。

在开始时，GYROBO似乎使内均衡,但后8秒变为不稳定，如图12（a）所示，我们注意到GYROBO的飞轮的倾斜角不断增加的一个方向，以尽量减少侧倾角，如图所示.12（b）所示。