自行车机器人质心位置对回转运动的影响

针对一台自行车机器人,研究机器人质心位置水平和竖直变化对车体回转运动的影响问题。引入査普雷金(Chaplygin)方程建立自行车机器人系统的力学模型,采用线性二次型调节器(LQR)设计车体回转运动的平衡控制器,通过调节质量块位置水平和竖直变化改变车架质心位置,以车把90°转角为例对控制系统进行数值仿真和物理试验。结果表明:选择同样的加权矩阵,适当的使车架质心向左水平移动或向上竖直移动,车架横滚角由初始的偏角更快地恢复到平衡位置,且前车轮控制力矩更小。研究结果可为该平衡车机器人的结构和驱动优化设计提供理论参考。     

车把前倾角对无人驾驶自行车90°圆周运动的影响

系统的机械结构参数对其性能具有重要的影响.针对一种无机械平衡调节器的无人驾驶自行车,研究不同的车把前倾角对其90°圆周平衡运动的影响问题.给出基于查普雷金(Chaplygin)方程的系统欠驱动力学模型,结合部分反馈线性化的控制方法设计圆周90°运动的平衡控制器,分别设定车把前倾角的角度为0°、8°、16°、24°,对自...     

两轮车机器人原地定位平衡的双幂次滑模控制

针对一种两轮自行车机器人(Segway状态),采用双幂次滑模控制方法研究该机器人原地定位平衡控制问题.根据査普雷金方程的力学建模原理,结合机械化建模方法建立系统动力学模型;取车架俯仰角和车轮转角为输出、车轮电机力矩为输入设计双幂次滑模控制器;对系统进行数值仿真和物理样机实验研究,与其他控制器(部分反馈线性化、普通滑模等)下的控制效果进行对比,分析了双幂次滑模控制器原地定位平衡运动控制的性能.研究结果表明:双幂次滑模控制方法下的两轮车机器人原地定位平衡控制具有更强的抗干扰能力,俯仰角可由初始倾角快速调整到0附近,且具有更短的调整时间和更小的超调量.本研究可为该类型机器人在选择实现平衡运动的控制方法时提供参考和理论基础.     

一种独轮车机器人的动力学建模及俯仰平衡控制

针对一台3驱动独轮车机器人系统,分析了其动力学特性并给出了一种可以实现其前后俯仰平衡运动的控制方法。根据行走轮与地面接触的非完整约束特性,引入Chaplygin方程建立系统的动力学模型,结果发现独轮车机器人是一个具有6个独立广义速度、3个欠驱动自由度的欠驱动系统。考虑车体俯仰平衡运动的力学子系统,采用部分反馈线性化方法,将其中的欠驱动车体俯仰角线性化,并选择车体俯仰角和行走轮转动角为输出,设计了系统俯仰平衡运动的非线性控制器。最后通过数值仿真控制与物理样机实验验证了所设计控制器的有效性。     

独轮车机器人的欠驱动力学特性与平衡控制策略

提出一种具有3个驱动自由度的全方位行走独轮车机构,并对其动态行为及平衡控制策略进行了初步研究.考虑车轮的纯滚动和非完整约束条件,采用Kane方法建立了系统的力学模型;以此为基础,通过反馈线性化车架的3个欠驱动欧拉角,并选择全部6个自由度为输出,设计平衡运动控制器;借助MATLAB/Simulink模块,对系统平衡运动进行仿真控制,所得结果表明,通过合理选择控制参数,系统可以在短时间内实现车体平衡和航向稳定.     

独轮车机器人原地定位的平衡控制分析

针对1种垂直摆轮式独轮车机器人原地站立的实现问题,给出系统在水平地面上运动的力学模型,从中探索系统全方位平衡运动控制的方法。采用Chaplygin方程对系统的动态进行分析,依照正向分析逆向输出的思路得到1种递推形式的系统2阶响应力学模型。结果表明,该模型仅占22 K字节的存储空间,且在1.8 G双核CPU、2 G内存、WIN7操作系统以及VC++环境下的工控机平台上运行,所耗费的时间不超过25.2μs,较好地避免传统建模方法的力学模型膨胀问题。根据力学模型的欠驱动特性,采用部分反馈线性化设计系统原地站立的侧向和俯仰平衡运动控制器。数值仿真和物理样机实验结果表明,两者选取的控制器参数基本一致,且均能在初始倾角2°下迅速调整车体原地定位平衡,但行走独轮比摆盘需更大扭矩。     

三关节欠驱动体操机器人的LQR倒立平衡控制

针对欠驱动体操机器人倒立平衡控问题,给出一种基于动力学模型的三关节欠驱动体操机器人平衡控制方案.首先将三关节欠驱动体操机器人简化为一个在垂直平面上运动的三关节机器人,采用拉格朗日力学方法建立动力学模型,并推导出体操机器人系统状态方程,然后设计LQR控制器,使体操机器人稳定在不稳定的倒立平衡点,最后进行了仿真,结果表明LQR控制器实现了在两输入情况下允许的稳态误差快速响应.     

三关节欠驱动休操机器人的LQR倒立平衡控制

针对欠驱动体操机器人倒立平衡控制问题,给出一种基于动力学模型的三关节欠驱动体操机器人平衡控制方案。首先将三关节欠驱动体操机器人简化为一个在垂直平面上运动的三关节机器人,采用拉格朗日力学方法建立动力学模型,并推导出体操机器人系统状态方程,然后设计LQR控制器,使体操机器人稳定在不稳定的倒立平衡点,最后进行了仿真,结果表明LQR控制器实现了在两输入情况下允许的稳态误差快速响应。     

基于运动微分方程的搬运机器人姿态控制器设计

搬运机器人在工作过程受到外界环境干扰的影响,姿态难以平衡,为此设计一种基于运动微分方程的机器人姿态控制器。根据机器人两轴之间的约束关系计算角速度和线速度,构建动力学模型;从运动控制、状态监测等分析控制器功能需求,将硬件部分分为主控芯片、姿态检测和电机驱动等模块,选择适宜的芯片和传感器,满足抗干扰要求;利用运动微分方程确定机器人的可行姿态,形成姿态约束;采用遗传算法选择最优个体,多次迭代后获取最佳姿态控制参数,实现自动控制。实验结果表明,该控制器能够保证机器人搬运过程中具有较强的自平衡能力,在外界环境干扰下,控制器仍能确保机器人姿态快速恢复平稳。     

自行车转弯侧斜机制与防止三轮自行车倾翻的自适应调节器

以直线行驶中做右转向运动的三轮自行车为基本运动模型,综合平衡原理、刚体回转运动离心力及地面对车体反作用等,研究侧斜和倾翻机制。建立力学和数学模型,指出可以充分利用地面对前轮的侧向摩擦力所形成的侧向转矩效应防止倾翻。开发设计两款自适应调节器,安装于前轮架与后车架之间,成为前后左右回转摆动的铰链副机构。当车体转弯时,产生前车架组件和驾驶者的重心向转弯侧位移并且下降作用,防止车体向另一侧倾翻。两款安装调节器的样车试验表明,左右转弯自如平稳。     

内外混合驱动球形机器人越障运动性能分析

应用机器人重心偏移力偶驱动的方法,设计了一种内外混合驱动球形机器人装置,并制作了该机器人的试验样机。根据力矩平衡原理,对于风驱动、内驱动和内外同时驱动的不同驱动方式,建立了描述球形机器人越障运动性能的约束方程,得出了风速、地形倾角、障碍物高度、球体配重、球体尺寸及质量等各参数之间的关系。编制了越障运动分析程序,运动仿真实例表明了该越障运动分析结论的正确性。     

欠驱动机器人的切换姿态优化及全局稳定控制

讨论了欠驱动两杆机器人控制中存在的控制器切换问题并将其归纳为一类优化问题,提出了一种优化切换姿态并保证全局稳定的控制器设计方案。在系统全局稳定的条件下,将对欠驱动关节的控制能力作为优化目标。采用基于弱控制Lya-punov函数的方法设计摆起控制器;利用线性二次调节器(linear quadratic regulator,LQR)方法设计平衡控制器;使用控制器切换环节实现控制器的最优切换,其中控制器切换环节的设计借助平衡控制器吸引域的概念和遗传算法来实现。仿真实验中,应用该方法得到的控制器不仅能实现控制目标,还能使系统具有更强的抗干扰能力,并缩短18.8%的控制时间。     

直接驱动机器人的函数链神经网络-PD复合控制

为了实现直接驱动机器人精密控制,研究了直接驱动机器人的函数链神经网络-PD(FLNN-PD)控制问题。首先,对机器人动力学模型及FLNN的函数逼近特性进行分析;然后为机器人构建双闭环控制系统,推导出系统的误差动力学方程及不确定性动力学函数;引入FLNN逼近不确定性函数并为系统规划出FLNN-PD控制律;最后进行了仿真控制实验。结果显示,该控制器可使系统转角误差和角速度误差控制在±0.002rad和±0.1rad/s之内,且其对系统的参数变化及外部扰动具有较强的自适应性和鲁棒性。     

基于ANFIS的四轮转向汽车控制策略研究

针对前轮转向(2WS)汽车低速转弯半径大,高速稳定性差的问题,以二自由度四轮转向(4WS)车辆为研究对象,建立了汽车动力学模型和运动方程,结合模糊控制与人工神经网络控制形成自适应神经模糊推理(ANFIS)。以前轮转角和车速作为输入变量,后轮转角为输出值,建立包含训练样本的仿真实验模型,基于混合法训练得到自适应神经模糊推理控制器,在MATLAB/Simulink中建模,然后在低速和高速条件下,将自适应神经模糊推理控制器与前轮转向、前轮比例控制4WS、横摆角速度反馈控制4WS这三种控制策略进行仿真对比分析。仿真结果表明:自适应神经模糊控制使车辆在低速和高速时质心侧偏角趋近于零,横摆角速度和侧向加速度更加接近前轮转向车辆,具备优异的转向效果,极大地提高了车辆的行驶稳定性。     

采用改进的LQR进行Pendubot系统的平衡控制

对于非线性、强耦合的欠驱动两杆机器人Pendubot,采用改进的线性二次型调节器(LQR)进行不稳定平衡位置的平衡控制。首先,对Pendubot系统的动力学方程进行分析,并在平衡位置进行线性化。然后,平衡状态下力矩不为0的平衡位置进行控制时,对LQR控制器进行改进,设计了一个补偿参数,并给出了补偿参数的详细计算方法。最后,采用建立系统的仿真模型,并通过仿真实验进行验证。实验结果表明,改进的LQR方法能够使系统稳定在设置的平衡位置。     

基于应力分析的新型运动自行车车架的人机设计

涉及一种结合户外运动自行车与户外野营用帐篷功能的功能集约式运动自行车车架尺寸的设计,利用人机工程学及材料力学相关原理对这种新型可用于野营的功能集约型运动自行车的车架尺寸进行分析与设计,其中主要对车架中材料、支架截断点、支架管壁厚、可分离的十字形四向支架的倾斜角度等方面进行分析设计,确定这种新型车体再生产过程中需要满足的基本车架尺寸,使这种新型运动自行车在实现功能转化的同时满足力学要求,并且更加符合人机工程学原理,使骑行更加舒适。     

无配重欠驱动输电线路巡检机器人研究与试验

配重系统、电机及其传动系统是电缆巡检机器人重量的主要组成部分,其结构复杂、整体重量大,人力将其搬至塔上困难。如采用无配重欠驱动设计,可大幅减轻机器人重量。基于这一设计思想,设计了在重力约束的情况下无配重,且仅用一个滚筒电机就能驱动肩、肘、腕三个关节的欠驱动机器人。结合越障机理对机器人的结构状态进行了研究。为了验证设计的合理性,设计了控制系统和主程序结构图,并结合样机进行越障试验。试验结果表明该机器人能在无配重系统的情况下,保持了机体基本平衡;利用欠驱动控制实现了机器人的平稳越障;达到了减轻机器人自重的目的。     

基于人机工程学的双轮躺式自行车设计

以双轮躺式自行车的造型设计为研究内容,提出了人机工程学设计理念,采用了自顶向下的装配方法,实现了该车的人性化设计。为达到舒适性及人性化的目的,将该车车把设计为仿M型车把、车架可前后伸缩、座椅可前后移动并且角度可调节。通过以上设计,在对该自行车进行干涉检查时,未发现干涉现象。并且在运动仿真时,该车能够正常运动。     

自行车机器人的控制

作为被控制对象的自行车双轮机器人是以自行车为基础,再配以转动车把的电机和驱动后轮的装置构成的。根据经验,当自行车行走不稳向两边倾倒时,人会向左或右转动车把,并且人的重心也会向右(或左)移动。向倾倒的方向转动车把的作用是将使车倾倒的重力的分力转用于车体做曲线运动的向心力,从而避免车体的倾倒。而骑车人调节自身的重心的作用,可以辅助起到将车体从倾倒的方向纠正回平衡点处的作用。     

考虑驱动器特性的柔性弹跳机器人的轨迹跟踪控制

针对弹跳机器人存在的欠驱动问题以及轨迹跟踪控制问题,提出了电机和液压混合驱动的欠驱动仿生柔性弹跳机器人系统。首先建立欠驱动柔性弹跳机器人的运动学模型,通过5次多项式规划、主动关节和被动关节的动力学耦合关系得出各关节转角的变化规律,然后比较了考虑驱动器特性和不考虑驱动器特性时质心的运动规律。其次,建立考虑驱动器特性的机器人完整动力学模型,采用部分反馈线性化和极点配置相结合的方法对其进行运动控制。最后,仿真证明柔性关节能提高机器人弹跳性能,提出的控制方法是可行的。