基于多體動力學(xué)的獨(dú)輪車機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)與實(shí)踐

莊 未 黃用華 高興宇 李雪梅 黃美發(fā) 劉夫云

（桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林541004）

0 引言

獨(dú)輪車機(jī)器人是輪式機(jī)器人家族的一員，涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、電子學(xué)、控制論、信息技術(shù)等許多學(xué)科和技術(shù)[1-2]。既具有輪式機(jī)器人移動快、運(yùn)動靈活的特點(diǎn)，又有其靜態(tài)不穩(wěn)定、動態(tài)可穩(wěn)定的獨(dú)特特性[3]。借助多體動力學(xué)理論與多信息融合技術(shù)，搭建獨(dú)輪車機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)平臺，對本科生、研究生學(xué)習(xí)應(yīng)用相關(guān)知識與技術(shù)起到積極的促進(jìn)作用。

1 獨(dú)輪車機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)內(nèi)容

在充分考慮專業(yè)培養(yǎng)方案的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際教學(xué)的需要，桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院機(jī)械電子工程系搭建了一種獨(dú)輪車機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺，該平臺主要包括幾大模塊：

1.1 動力學(xué)模塊

該模塊包含機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡圖的繪制、整體與局部坐標(biāo)系的建立（如圖1）、機(jī)器人各構(gòu)件的運(yùn)動學(xué)分析（角速度、質(zhì)心速度分析）、選取動力學(xué)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(jī)器人運(yùn)動與關(guān)節(jié)驅(qū)動力之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。通過該模塊，學(xué)生全面應(yīng)用所學(xué)的高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、理論力學(xué)、機(jī)械原理、工業(yè)機(jī)器人等相關(guān)課程的知識。

1.2 機(jī)械系統(tǒng)模塊

該模塊包含機(jī)構(gòu)本體的設(shè)計、傳動系統(tǒng)的設(shè)計。機(jī)構(gòu)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(diào)整車架的前后俯仰角，腰輪調(diào)整車架轉(zhuǎn)彎的航向角，擺輪調(diào)整車架側(cè)向傾角。設(shè)計時，行走輪、腰輪、擺輪的轉(zhuǎn)軸設(shè)計成兩兩正交，可以在物理上實(shí)現(xiàn)三者運(yùn)動的部分解耦，從而降低系統(tǒng)建模的復(fù)雜度。傳動機(jī)構(gòu)采用齒輪傳動，由電機(jī)齒輪與輪轂齒輪相嚙合。通過該模塊，學(xué)生全面應(yīng)用所學(xué)的機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計等相關(guān)課程的知識。

圖1 機(jī)構(gòu)簡圖及坐標(biāo)系

圖2 機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺

1.3 測控系統(tǒng)模塊

該模塊包括一塊DSP控制板、三臺伺服驅(qū)動器、三臺薄餅直流電機(jī)、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(shù)傳模塊、三只TTL信號轉(zhuǎn)RS232電平模塊、電源模塊若干、兩塊航模動力電池，測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。通過該模塊，學(xué)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(guān)知識。

1.4 控制策略模塊

該模塊包括基于動力學(xué)模型設(shè)計控制器、系統(tǒng)穩(wěn)定性條件、控制策略的仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、控制策略的樣機(jī)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。通過該模塊，學(xué)生全面應(yīng)用C語言、單片機(jī)原理與接口技術(shù)、MATLAB/Simulink軟件技術(shù)、控制工程基礎(chǔ)、計算機(jī)控制技術(shù)等相關(guān)知識。

圖3 獨(dú)輪車機(jī)器人測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 實(shí)驗(yàn)平臺在教學(xué)與科研中的實(shí)施方案

在教學(xué)方面，結(jié)合我校機(jī)電工程學(xué)院開設(shè)《機(jī)器人綜合設(shè)計》實(shí)訓(xùn)課程的特點(diǎn)，努力為社會培養(yǎng)機(jī)電一體化應(yīng)用型人才為目的，教師可以從展示領(lǐng)域最新動態(tài)、融合多種教學(xué)方法、加強(qiáng)課程知識融合、提升學(xué)生綜合實(shí)力等幾個方面進(jìn)行課程教學(xué)改進(jìn)，這些方法相輔相成；在科研方面，教師可以從獨(dú)輪車機(jī)器人單一（側(cè)向、俯仰）運(yùn)動平衡控制、綜合（側(cè)向+俯仰、俯仰+航向、側(cè)向+俯仰+航向）運(yùn)動平衡控制、轉(zhuǎn)彎平衡機(jī)理等方面進(jìn)行深入研究。具體如下：

2.1 在教學(xué)中的實(shí)施方案

2.1.1 展示領(lǐng)域最新動態(tài)——找差距

機(jī)器人技術(shù)發(fā)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(jī)器人技術(shù)所有的內(nèi)容是不現(xiàn)實(shí)的。該實(shí)驗(yàn)平臺可以起到拋磚引玉，讓學(xué)生既掌握基礎(chǔ)理論，又了解前沿動態(tài)，還能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。該領(lǐng)域最新動態(tài)——國內(nèi)北京工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等院校研制的獨(dú)輪車機(jī)器人，國外日本的“村田頑童”娛樂自行車機(jī)器人、“村田婉童”騎獨(dú)輪車機(jī)器人等，對比出我國在該領(lǐng)域與國外先進(jìn)機(jī)器人的差距，提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動性。

2.1.2 融合多種教學(xué)方法——任務(wù)式教學(xué)

不局限于課堂板書、PPT講授模式，該實(shí)驗(yàn)平臺帶給學(xué)生更多的是以“用”帶“學(xué)”、以“學(xué)”促“用”，課前布置好學(xué)生的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，為完成相應(yīng)的任務(wù)，學(xué)生需提前學(xué)習(xí)相關(guān)知識，即以“用”帶“學(xué)”，帶動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。課堂上學(xué)生需自己動手設(shè)計并操作控制機(jī)器人，將課前所學(xué)的知識用到實(shí)處，即以“用”促“學(xué)”，使學(xué)生產(chǎn)生極大的成就感。

2.1.3 加強(qiáng)課程知識融合——形成體系

機(jī)器人技術(shù)本身是一門新興、邊緣、交叉學(xué)科。獨(dú)輪車機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺的研發(fā)過程[4]需要學(xué)生具備工程力學(xué)、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計、電子技術(shù)、嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制原理、計算機(jī)控制技術(shù)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(diǎn)到學(xué)科間的面，甚至形成知識體系。

2.1.4 提升學(xué)生綜合實(shí)力——合作創(chuàng)新

該實(shí)驗(yàn)平臺的四個模塊并不孤立，它們相輔相成，構(gòu)成一個機(jī)器人系統(tǒng)。從機(jī)器人的動力學(xué)建模到機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計、測控系統(tǒng)設(shè)計、控制器設(shè)計與編寫，再到物理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺的搭建，最后到仿真實(shí)驗(yàn)和物理實(shí)驗(yàn)，學(xué)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(tuán)隊中其他成員分工任務(wù)、溝通交流各種事宜、協(xié)同控制操作機(jī)器人、改造創(chuàng)新各項(xiàng)子任務(wù)，這一過程中每個問題的解決，都會使學(xué)生綜合實(shí)力得到進(jìn)一步的提升。

2.2 在科研中的實(shí)施方案

2.2.1 單一運(yùn)動平衡控制——側(cè)向、俯仰

首先基于多體動力學(xué)方法建立側(cè)向或俯仰運(yùn)動的簡化力學(xué)模型，基于模型采用部分反饋線性化法或其他方法設(shè)計平衡控制器，給出所設(shè)計的控制器的穩(wěn)定條件。將控制器算法寫入DSP控制板，完成單一運(yùn)動的平衡控制實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)是實(shí)現(xiàn)獨(dú)輪車機(jī)器人全方位運(yùn)動的基礎(chǔ)。

2.2.2 綜合運(yùn)動平衡控制

基于多體動力學(xué)方法建立完整的機(jī)器人動力學(xué)模型，設(shè)計全方位運(yùn)動的平衡控制器。仿真分析平衡運(yùn)動的車體及各轉(zhuǎn)盤運(yùn)動軌跡，以及關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩變化情況；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所建立模型的可靠性和所設(shè)計的控制器的有效性。該部分實(shí)驗(yàn)涉及機(jī)器人全方位平衡控制，有較大難度。

2.2.3 轉(zhuǎn)彎平衡機(jī)理

為使機(jī)器人更靈活的轉(zhuǎn)向，機(jī)器人內(nèi)部的物理參數(shù)（質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量等）、幾何參數(shù)（車輪半徑、各構(gòu)件質(zhì)心高度、整體質(zhì)心高度等）、控制參數(shù)（位置、速度反饋系數(shù)等）應(yīng)如何設(shè)計或設(shè)置，這些參數(shù)對平衡控制的穩(wěn)定性有何影響。這部分研究將從更深層次揭示機(jī)器人全方位運(yùn)動（轉(zhuǎn)彎平衡）的內(nèi)在機(jī)理。

當(dāng)然，科研與技術(shù)問題不局限于所列出的內(nèi)容。隨著研究的深入，還會有更多的不為人知的平衡機(jī)理等著我們?nèi)ヌ剿鳌?/p>

3 實(shí)驗(yàn)平臺在教學(xué)與科研中的橋梁作用

教學(xué)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(jìn)的緊密聯(lián)系。利用該獨(dú)輪車機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺，教師將教學(xué)中學(xué)生學(xué)習(xí)、應(yīng)用知識這一過程與科研中學(xué)生應(yīng)用、創(chuàng)新知識這一目標(biāo)有機(jī)的結(jié)合，為教學(xué)與科研架起一座橋梁。

［1］郭洪紅.工業(yè)機(jī)器人技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2007,9.

［2］劉峰,魏明,馬愛民.基于機(jī)器人活動的交通設(shè)備與控制工程專業(yè)大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式[J].科技視界,2015(11)：96-97.

［3］熊梅.獨(dú)輪機(jī)器人姿態(tài)控制研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2010.

［4］莊未,黃用華,李雪梅,等.機(jī)器人研究在機(jī)械工程類應(yīng)用創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中的作用探索[J].教育教學(xué)論壇,2014(9)：189-191.