基于多體動力學的獨輪車機器人實驗平臺建設與實踐

莊 未 黃用華 高興宇 李雪梅 黃美發 劉夫云

（桂林電子科技大學機電工程學院，廣西 桂林541004）

0 引言

獨輪車機器人是輪式機器人家族的一員，涉及到力學、機械學、計算機科學、電子學、控制論、信息技術等許多學科和技術[1-2]。既具有輪式機器人移動快、運動靈活的特點，又有其靜態不穩定、動態可穩定的獨特特性[3]。借助多體動力學理論與多信息融合技術，搭建獨輪車機器人的實驗平臺，對本科生、研究生學習應用相關知識與技術起到積極的促進作用。

1 獨輪車機器人實驗平臺的建設內容

在充分考慮專業培養方案的基礎上，結合實際教學的需要，桂林電子科技大學機電工程學院機械電子工程系搭建了一種獨輪車機器人實驗平臺，該平臺主要包括幾大模塊：

1.1 動力學模塊

該模塊包含機器人機構簡圖的繪制、整體與局部坐標系的建立（如圖1）、機器人各構件的運動學分析（角速度、質心速度分析）、選取動力學分析方法（拉格朗日法、牛頓-歐拉法、凱恩法、查普雷金法等）、建立機器人運動與關節驅動力之間關系的數學模型。通過該模塊，學生全面應用所學的高等數學、線性代數、理論力學、機械原理、工業機器人等相關課程的知識。

1.2 機械系統模塊

該模塊包含機構本體的設計、傳動系統的設計。機構本體包括車架、行走輪、腰輪、擺輪四個部分（如圖2），其中，行走輪可調整車架的前后俯仰角，腰輪調整車架轉彎的航向角，擺輪調整車架側向傾角。設計時，行走輪、腰輪、擺輪的轉軸設計成兩兩正交，可以在物理上實現三者運動的部分解耦，從而降低系統建模的復雜度。傳動機構采用齒輪傳動，由電機齒輪與輪轂齒輪相嚙合。通過該模塊，學生全面應用所學的機械原理、機械設計等相關課程的知識。

圖1 機構簡圖及坐標系

圖2 機器人實驗平臺

1.3 測控系統模塊

該模塊包括一塊DSP控制板、三臺伺服驅動器、三臺薄餅直流電機、三只增量式編碼器、三個電流傳感器、一個慣性測量單元（陀螺儀）、一對無線數傳模塊、三只TTL信號轉RS232電平模塊、電源模塊若干、兩塊航模動力電池，測控系統結構框圖如圖3所示。通過該模塊，學生在硬件連接、信號傳輸、供電方案上可以更清晰、直觀的了解和掌握相關知識。

1.4 控制策略模塊

該模塊包括基于動力學模型設計控制器、系統穩定性條件、控制策略的仿真驗證實驗、控制策略的樣機驗證實驗。通過該模塊，學生全面應用C語言、單片機原理與接口技術、MATLAB/Simulink軟件技術、控制工程基礎、計算機控制技術等相關知識。

圖3 獨輪車機器人測控系統結構框圖

2 實驗平臺在教學與科研中的實施方案

在教學方面，結合我校機電工程學院開設《機器人綜合設計》實訓課程的特點，努力為社會培養機電一體化應用型人才為目的，教師可以從展示領域最新動態、融合多種教學方法、加強課程知識融合、提升學生綜合實力等幾個方面進行課程教學改進，這些方法相輔相成；在科研方面，教師可以從獨輪車機器人單一（側向、俯仰）運動平衡控制、綜合（側向+俯仰、俯仰+航向、側向+俯仰+航向）運動平衡控制、轉彎平衡機理等方面進行深入研究。具體如下：

2.1 在教學中的實施方案

2.1.1 展示領域最新動態——找差距

機器人技術發展迅速、日新月異，尚待研究的問題也層出不窮，因此想要精通機器人技術所有的內容是不現實的。該實驗平臺可以起到拋磚引玉，讓學生既掌握基礎理論，又了解前沿動態，還能提高學生的學習興趣。該領域最新動態——國內北京工業大學、哈爾濱工業大學等院校研制的獨輪車機器人，國外日本的“村田頑童”娛樂自行車機器人、“村田婉童”騎獨輪車機器人等，對比出我國在該領域與國外先進機器人的差距，提高學生學習主動性。

2.1.2 融合多種教學方法——任務式教學

不局限于課堂板書、PPT講授模式，該實驗平臺帶給學生更多的是以“用”帶“學”、以“學”促“用”，課前布置好學生的實驗任務，為完成相應的任務，學生需提前學習相關知識，即以“用”帶“學”，帶動學生的學習積極性。課堂上學生需自己動手設計并操作控制機器人，將課前所學的知識用到實處，即以“用”促“學”，使學生產生極大的成就感。

2.1.3 加強課程知識融合——形成體系

機器人技術本身是一門新興、邊緣、交叉學科。獨輪車機器人實驗平臺的研發過程[4]需要學生具備工程力學、機械原理、機械設計、電子技術、嵌入式技術、傳感器技術、控制原理、計算機控制技術等多門課程知識，并完成課程間的知識融合，由單一的課程知識點到學科間的面，甚至形成知識體系。

2.1.4 提升學生綜合實力——合作創新

該實驗平臺的四個模塊并不孤立，它們相輔相成，構成一個機器人系統。從機器人的動力學建模到機械系統設計、測控系統設計、控制器設計與編寫，再到物理樣機實驗平臺的搭建，最后到仿真實驗和物理實驗，學生在這一過程中會遇到各種各樣的問題。如何查找資料、與團隊中其他成員分工任務、溝通交流各種事宜、協同控制操作機器人、改造創新各項子任務，這一過程中每個問題的解決，都會使學生綜合實力得到進一步的提升。

2.2 在科研中的實施方案

2.2.1 單一運動平衡控制——側向、俯仰

首先基于多體動力學方法建立側向或俯仰運動的簡化力學模型，基于模型采用部分反饋線性化法或其他方法設計平衡控制器，給出所設計的控制器的穩定條件。將控制器算法寫入DSP控制板，完成單一運動的平衡控制實驗。該實驗是實現獨輪車機器人全方位運動的基礎。

2.2.2 綜合運動平衡控制

基于多體動力學方法建立完整的機器人動力學模型，設計全方位運動的平衡控制器。仿真分析平衡運動的車體及各轉盤運動軌跡，以及關節驅動力矩變化情況；實驗驗證所建立模型的可靠性和所設計的控制器的有效性。該部分實驗涉及機器人全方位平衡控制，有較大難度。

2.2.3 轉彎平衡機理

為使機器人更靈活的轉向，機器人內部的物理參數（質量、轉動慣量等）、幾何參數（車輪半徑、各構件質心高度、整體質心高度等）、控制參數（位置、速度反饋系數等）應如何設計或設置，這些參數對平衡控制的穩定性有何影響。這部分研究將從更深層次揭示機器人全方位運動（轉彎平衡）的內在機理。

當然，科研與技術問題不局限于所列出的內容。隨著研究的深入，還會有更多的不為人知的平衡機理等著我們去探索。

3 實驗平臺在教學與科研中的橋梁作用

教學與科研一直以來都不是對立體，它們之間有著相輔相成、互相促進的緊密聯系。利用該獨輪車機器人實驗平臺，教師將教學中學生學習、應用知識這一過程與科研中學生應用、創新知識這一目標有機的結合，為教學與科研架起一座橋梁。

［1］郭洪紅.工業機器人技術[M].西安：西安電子科技大學出版社,2007,9.

［2］劉峰,魏明,馬愛民.基于機器人活動的交通設備與控制工程專業大學生創新能力培養模式[J].科技視界,2015(11)：96-97.

［3］熊梅.獨輪機器人姿態控制研究[D].哈爾濱工業大學,2010.

［4］莊未,黃用華,李雪梅,等.機器人研究在機械工程類應用創新型人才培養中的作用探索[J].教育教學論壇,2014(9)：189-191.