英语原文共 22 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

一种具有两个不同方向上处理机制的两轮机器人

Khaled M. Goher*

摘要：

尽管市场上存在各种构造的自平衡两轮机（TWM）的事实，但是这种系统的工作空间受其当前配置和设计所限制。在这项工作中，引入了具有新颖配置的TWM的动态分析，其能够在两个相互垂直的方向上处理在中间体（IB）中的有效载荷。这种配置将扩大车辆的工作空间，并增加其在材料处理，物体装配和类似的工业和服务机器人应用中的灵活性。所提出的配置获得串联臂设计的优点，同时占据最小空间，这是具有独特特征的TWM。所提出的机器具有五个自由度（DOF），其可以用于工业应用，例如拾取和放置，材料处理和包装。与其他TWM相比，该机器将在更宽的工作空间和增加的服务和工业应用的灵活性方面提供优势。此外，所提出的设计将增加额外的挑战，即控制系统以补偿由于执行在多个方向上的处理任务的COM的位置改变。

背景

双轮机器人是基于倒立摆（IP）思想的系统。 这是一个明确的基准问题，为控制设计提供了许多挑战。 IP系统是非线性的，不稳定的，非最小相位和欠驱动的。倒立摆问题是控制理论中最着名的常见问题之一，并且已在文献中广泛研究。Ren等人提出了两轮车辆（TWV）的运动控制和稳定性分析。 其中基于简化模型的自调谐PID控制策略被提出用于实现稳定TWV并遵循期望的运动命令的运动控制系统。Chan等人探讨了常用的方法，已经研究和控制器已被用于两轮机器人在不同类型的地形。Shojaei等人提出了一个自适应鲁棒性跟踪控制器，以应对系统的参数和非参数不确定性的发生，由于集成的运动和动态轨迹跟踪控制问题的轮式移动机器人。Deng等人设计了基于Lyapunov函数候选的控制器和包括迂回力的虚拟力信息。 Guo等人设计一个滑动模式控制器的轮式IP。Li和Kang等人使用了轮式机械手的动态耦合切换控制技术。Tsa等人已经研究了在两轮IP系统中操作的致动器故障和操作异常。

文献中还考虑了参数和功能不确定性的研究; Li等人考虑了动态平衡和基于最小二乘并且支持矢量机的轮式倒立摆（WIP）经受动力学不确定性的运动控制。 控制算法使用Lyapunov系统，与LS-SVM结合在线的优势参数估计策略。基于该方法，系统的输出被证明能够跟踪其中的给定有界参考信号，这种信号是在零的小邻域内以及保证所有闭环信号的半全局均匀界限。Chiu等人为具有未知系统动力学和外部干扰的WIP提出了智能后台步跟踪控制系统。自适应输出复发性小脑模型（AORCMAC）来复制一个理想的反推控制（IBC）和补偿控制器的设计，以弥补IBC法律和AORCMAC之间的区别。 在Chiu等人的进一步工作中，为了控制WIPS，一种新颖的无模型智能控制器已经研制成功。对于WIP的角度和位置控制，没有模型信息的适配输出复发小脑模型控制器（AORCMAC）已经研制成功。Lee等人为几种设计提供了IP系统的历史演变。 Ghaffri等人使用Kanes和Lagrangian动态制定方法来驱动动态模型的自平衡两轮机器人。 Ping等人审查了驱动动态模型的各种方法和用于两轮机器人的控制技术。

Cui等人设计了一种状态反馈控制轮流IP，然后基于回步的自适应控制被设计用于系统的输出跟踪。Brisilla和Sankaranarayanan提出了一种移动IP的非线性控制策略，而不需要在控制器之间进行内部切换。Chinnadurai等人使用芯片控制器上的网络来设计使用曲率技术原理的二轮机器人。Dai等人设计了一种基于二轮IP摩擦补偿的方法。Raff等人设计了Hinfin;非线性控制器来稳定和控制两轮机器的存在外源扰动。Sun和Li使用了自适应神经控制和极端学习机（ELM）开发和实施两轮人力交通系统。如今开发了一种新的控制方案，这种方案是基于单隐藏层前馈网络近似能力来组合ELM来捕获车辆动力学。 Yue等人研究了基于误差数据的轨迹规划器和间接自适应模糊控制与应用在两轮IP上使用间接自适应模糊和滑模控制方法，Lyapunov理论和LaSalle不变性定理。 Yue等设计用于平衡和轨迹的复合控制方法，使用了自适应滑动跟踪两轮IP车辆模式，基于模糊的控制和自适应机制。

带有延伸杆的两轮IP原理

具有扩展中间体（IB）的两轮IP原理已经由Goher引入，Tokhi其中一个新的混合轮机器人机器（WRM）开发和配备线性致动器，如图1所示，以激活有效负载并把它提升到不同的水平。

虽然开发的结构通过线性添加额外的自由度执行器连接到IB，工作区被扩展仅仅通过延伸IB在一个单一垂直方向。 在进一步工作中，增加了工作空间和TWM灵活性，Goher开发了一种添加了附加链路的的双轮IP，如图2所示，以具有延伸杆的五个自由度双IP系统结束。

这个具有双IP与延长杆配合的应用已被用来模拟一个重要的情景，轮椅转移站立在两个轮子，如图 3a，b所示，Ahmad等人在这项研究中，作者还使用了沿着链接2附接的线性致动器以进一步提升椅子和人到更高的特定高度。

一种由Lee和Jung开发的双轮机器人TransBOT，TransBOT有两种驱动模式和通过提起前脚轮的模拟IP概念的平衡模式。开发的原型是类似于PUMA人类转运体，及其工作原理主要依靠稳定有效载荷在一个单一方向。在Huang等人做的工作中，被称为UW-Car的车辆，如图4所示的示意图，其中可移动座沿直线水平方向由直线驱动电动机驱动。一个控件算法被设计出，在MATLAB仿真环境和开发原型的实际实验中都得到实现。虽然这项工作考虑了汽车座椅在水平方向上的可调节位置，座椅在垂直方向上的运动却没有被考虑。此外，Bae和Jung开发了服务机器人，图5所示的KOBOKER能够使用上下滑动机构进行自平衡，其激活两个臂以便在其在地板上执行任务。 KOBOKER的设计允许处理对象在两个不同的方向，并配备两个手臂来按照命令处理不同任务。

尽管有上述贡献开发TWM的新组合，在两种不同的质量平衡器的TWM的动态分析方向没有给予太多的文献兴趣。 这个新的混合的动态模型将有潜力形成新应用的基础并探索系统的许多特性以及调查各种特性的影响的可能性。 在这个目前的工作中，介绍了一个新颖的TWM配置，能够处理在两个相互垂直的方向上，附接到IB的有效载荷。 这将允许扩展工作空间并增加其在各种应用中的灵活性，包括：材料处理，物体装配和类似工业和服务机器人应用。这个加强的融合，与KOBOKER有类似的概念，在由于工作在两个占据最小空间车轮的连续机器人和TWM都有优势。

这种新的组合的模型将有可能形成新的应用和探索系统许多功能的基础，以及检测各种特性影响的可能性。这个具有5 DOF的车辆的新颖配置为车辆提供了处理在互相垂直方向上的两个物体的能力。 这是通过能够在车辆的两个不同方向延伸中间体（IB）的双轴线性致动器或两个不同的致动器。 在这项工作中，已经使用了五个解耦的反馈控制环。 基于环路去耦的开发控制策略，确保由于高频范围（倾斜角）从低频范围的动力学（运动中间体）的分离动态。各种模拟练习已经被考虑来测试所开发的控制方案的鲁棒性。 即使在复杂的情况下，同时改变在两个不同方向的COMs，控制策略能够很好地应对这种变化。 内部系统动力学已经被考虑了，以测试控制方法的鲁棒性。Huang等人另一方面使用LQR和滑动模式控制器来控制一个两轮车的速度和制动。 这个系统是开发的由Bae和Jung [3]，在他们的工作中没有考虑到控制。

本文的其余部分组织如下：“简介”总结了TWM中的相关贡献和相关控制策略。 “系统描述”部分描述了所提出配置的系统，解释和详细

描述了系统自由度的在处理被密封空间中的物体时的拾取和放置景。 这个数学模型在“数学建模”部分中推导出系统状态空间的模型，以及线性化状态空间模型在“状态空间建模”部分中的派生。 PID控制

方案在“数值模拟”部分中设计并在基于集合的系统模型上实现的数值参数。各种模拟练习用于数值验证，包括顺序或同时改变车辆在两个不同的方向的COM值。最后，论文是在“结论”中总结了工作贡献，并为潜在的未来工作制定了一套建议。

系统描述

所提出的TWRM具有五个自由度，如图6和7所示，使用Solidworksreg;和ADAMS MSCreg;来生成设计。 提出的车辆由包括一个底盘，其重心在点P1处，并且具有重心的线性致动器的质量在点P2处。 如果机器人沿着X轴从其初始位置移开，点P1和P2的坐标将会改变。 这些变量充分描述了五个自由度的动力学系统。 通过应用分别向左右车轮施加转矩tau;R和tau;L来控制两轮机器人。 这些转矩由附接的电机产生到每个车轮上。 使控制系统始终保持机器人直立的其他输入信号是由陀螺仪和加速度计测量。 这些传感器提供关于各种状态变量在任何给定时间的信息。

两轮平台的电池，是图6中车辆的右侧。 但是，在已经实现物理系统中，附件的组件（电池，电子产品等）将以某种方式定位,确保固定在围绕质量中心均匀分布的x和y轴的相互作用点。

使用所提出设计的标准轮与全方向轮的优点

市场上有很多类型的车轮运用在车轮移动机器人，其中包括：标准轮，脚轮和全向轮。本文所提出的设计是使用由两个电机供电的两个标准轮。使用标准轮的优点包括：简单的设计和制造以及相对较好的可靠性。 所使用轮子的小尺寸（直径10cm）有助于提供更好的稳定性和更强的抓地力。 这增加了整个系统在执行时的稳定性和刚性材料处理任务。 标准轮子的简单制造过程确保定位最小误差。

全方位轮用于做材料处理任务和其他工业应用的移动机器人，虽然移动机器人与全向车轮可以因为少量的致动器而被控制，并且在狭窄或拥挤空间的情况下是高度机动的。运动的精度受系统的影响，如在控制中发生不可避免的缺陷引起的错误和机械子系统和非系统引起的不可预测的现象，如车轮滑移和表面不规则。需要校准以补偿由于使用全向车轮所引起的这些误差。机器人运动过程中的其他测距误差，也可能由于不等轮直径、接头错位、编码器中的反向间隙和滑动脉冲而引起。全向轮车辆广泛应用于搬运车辆的物流和轮椅移动机器人。然而，它们通常被设计在平滑地形的运动情况，而在室外不可使用。

全向车轮的使用正在减少，因为制造这些轮是昂贵的并且需要高精度。此外，效果差，因为不是所有的车轮在运动的方向上旋转，引起摩擦损失，并且因为运动角度的计算,使系统上计算上更加复杂。

系统自由度的描述

所考虑的系统具有所描述的自由度，通过X和Z轴的相对关系的四种类型的平移移动所描述。 它们由角位移所表示，包括右轮delta;R和左轮delta;L的旋转角，有效载荷线性位移分别附加在垂直和水平方向h1和h2上，如图8所示。第四自由度表示为IB在围绕垂直Z轴的倾斜角theta;。 这个车辆的结构被认为用于各种各样的应用包括但不限于如图9所示的对象拾取和放置、装配线以及类似工业和应用在微小空间的工作服务机器人。对于车辆进行如图10所示的拾取和放置情况，对于车辆运动过程的描述可以解释如下：

（a）车辆在两个车轮上开始移动，并保持平衡条件，直到达到期望拾取对象的位置。在这个阶段的主导控制工作是两个从马达连接到车轮的转矩控制信号。

（b）一旦到达适合拾取物体的位置，线性致动器通过延伸IB而开始工作，直到对象位置通过了一个线性位移h1。 在这种情况下，车辆的质心（COM）正在向上移动，车轮电动机必须施加必要的转矩以保持平衡条件。

（c）随着IB在垂直位置上延伸之后，控制系统命令线性致动器来使端部延伸，在侧向延伸方向到对象的位置。因此，整个车辆的COM正在改变它的位置，这是轮电机的功能，这个功能是产生适当的电机转矩以补偿COM位置的这种变化。在这个阶段的研究中，假设在O1处的接头是刚性的，两个运动轴线h1和h2总是相互垂直。然而，在进一步的阶段研究中，一个有效的旋转接头应总是在水平方向方向确保h2的运动来拾取/放置对象。这是为了减少COM的变化并因此降低所需的控制力度。在拾取物体时，车辆受到冲击而产生的突然扰动，被期望能够消除。这应该由来自车轮电机的控制信号克服。

（d）在拾取物体之后，端部效应器应经历一个反向运动来原位置。这运动将伴随着COM重新调整到其原始位置。在这个阶段，这个线性执行器应用适当的力信号与适当的速度，使整个车辆在颠簸中保持安全。车辆需要根据由轮电机所产生的转矩信号来保持平衡。

（e）当线性致动器的杆处于其原始位置时，IB开始向下行进到分配位置的所需高度来将对象放置。当COM更靠近机箱时，电机轮需要施加更高的控制力

（f）最后，端部效应器延伸到期望的位置以放置物体。这可以包括操纵整个车辆以调整端部力度来适当地执行任务。

（g）开关机制需要设计为控制算法的主要部分来确定每个与上述阶段中的具体任务相关联的致动器的参与顺序。

基于上述运动的描述，表1示出了在物体的拾取和放置情况期间的每个子阶段，每个单独致动器与系统自由度的接合。

如表中所示，车轮电机总是在整个过程中始终转动，伴随着COM位置的变化，和在拾取或放置期间的存在外部干扰对象的可能性。 对于所有子任务（a-f），轮电机需要给足够且适当的转矩信号，以保持车辆在垂直方向上的平衡。 线性致动器的接合将是在拾取期间或者放置阶段以同时完成两个任务。 开关结构是设计用于决定每个单独制动器结合的周期。

数学建模 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[138653]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word