基于多体动力学的独轮车机器人实验平台建设与实践

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【摘 要】基于多体动力学理论、多信息融合技术，介绍了独轮车机器人实验平台的建设内容，给出了平台在教学与科研中的具体实施方案，以及该平台在教学与科研两方面的桥梁作用。

【关键词】独轮车机器人；实验平台；多体动力学；多信息融合

0 引言

独轮车机器人是轮式机器人家族的一员，涉及到力学、机械学、计算机科学、电子学、控制论、信息技术等许多学科和技术[1-2]。既具有轮式机器人移动快、运动灵活的特点，又有其静态不稳定、动态可稳定的独特特性[3]。借助多体动力学理论与多信息融合技术，搭建独轮车机器人的实验平台，对本科生、研究生学习应用相关知识与技术起到积极的促进作用。

1 独轮车机器人实验平台的建设内容

在充分考虑专业培养方案的基础上，结合实际教学的需要，桂林电子科技大学机电工程学院机械电子工程系搭建了一种独轮车机器人实验平台，该平台主要包括几大模块：

1.1 动力学模块

该模块包含机器人机构简图的绘制、整体与局部坐标系的建立（如图1）、机器人各构件的运动学分析（角速度、质心速度分析）、选取动力学分析方法（拉格朗日法、牛顿-欧拉法、凯恩法、查普雷金法等）、建立机器人运动与关节驱动力之间关系的数学模型。通过该模块，学生全面应用所学的高等数学、线性代数、理论力学、机械原理、工业机器人等相关课程的知识。

1.2 机械系统模块

该模块包含机构本体的设计、传动系统的设计。机构本体包括车架、行走轮、腰轮、摆轮四个部分（如图2），其中，行走轮可调整车架的前后俯仰角，腰轮调整车架转弯的航向角，摆轮调整车架侧向倾角。设计时，行走轮、腰轮、摆轮的转轴设计成两两正交，可以在物理上实现三者运动的部分解耦，从而降低系统建模的复杂度。传动机构采用齿轮传动，由电机齿轮与轮毂齿轮相啮合。通过该模块，学生全面应用所学的机械原理、机械设计等相关课程的知识。

1.3 测控系统模块

该模块包括一块DSP控制板、三台伺服驱动器、三台薄饼直流电机、三只增量式编码器、三个电流传感器、一个惯性测量单元（陀螺仪）、一对无线数传模块、三只TTL信号转RS232电平模块、电源模块若干、两块航模动力电池，测控系统结构框图如图3所示。通过该模块，学生在硬件连接、信号传输、供电方案上可以更清晰、直观的了解和掌握相关知识。

1.4 控制策略模块

该模块包括基于动力学模型设计控制器、系统稳定性条件、控制策略的仿真验证实验、控制策略的样机验证实验。通过该模块，学生全面应用C语言、单片机原理与接口技术、MATLAB/Simulink软件技术、控制工程基础、计算机控制技术等相关知识。

2 实验平台在教学与科研中的实施方案

在教学方面，结合我校机电工程学院开设《机器人综合设计》实训课程的特点，努力为社会培养机电一体化应用型人才为目的，教师可以从展示领域最新动态、融合多种教学方法、加强课程知识融合、提升学生综合实力等几个方面进行课程教学改进，这些方法相辅相成；在科研方面，教师可以从独轮车机器人单一（侧向、俯仰）运动平衡控制、综合（侧向+俯仰、俯仰+航向、侧向+俯仰+航向）运动平衡控制、转弯平衡机理等方面进行深入研究。具体如下：

2.1 在教学中的实施方案

2.1.1 展示领域最新动态――找差距

机器人技术发展迅速、日新月异，尚待研究的问题也层出不穷，因此想要精通机器人技术所有的内容是不现实的。该实验平台可以起到抛砖引玉，让学生既掌握基础理论，又了解前沿动态，还能提高学生的学习兴趣。该领域最新动态――国内北京工业大学、哈尔滨工业大学等院校研制的独轮车机器人，国外日本的“村田顽童”娱乐自行车机器人、“村田婉童”骑独轮车机器人等，对比出我国在该领域与国外先进机器人的差距，提高学生学习主动性。

2.1.2 融合多种教学方法――任务式教学

不局限于课堂板书、PPT讲授模式，该实验平台带给学生更多的是以“用”带“学”、以“学”促“用”，课前布置好学生的实验任务，为完成相应的任务，学生需提前学习相关知识，即以“用”带“学”，带动学生的学习积极性。课堂上学生需自己动手设计并操作控制机器人，将课前所学的知识用到实处，即以“用”促“学”，使学生产生极大的成就感。

2.1.3 加强课程知识融合――形成体系

机器人技术本身是一门新兴、边缘、交叉学科。独轮车机器人实验平台的研发过程[4]需要学生具备工程力学、机械原理、机械设计、电子技术、嵌入式技术、传感器技术、控制原理、计算机控制技术等多门课程知识，并完成课程间的知识融合，由单一的课程知识点到学科间的面，甚至形成知识体系。

2.1.4 提升学生综合实力――合作创新

该实验平台的四个模块并不孤立，它们相辅相成，构成一个机器人系统。从机器人的动力学建模到机械系统设计、测控系统设计、控制器设计与编写，再到物理样机实验平台的搭建，最后到仿真实验和物理实验，学生在这一过程中会遇到各种各样的问题。如何查找资料、与团队中其他成员分工任务、沟通交流各种事宜、协同控制操作机器人、改造创新各项子任务，这一过程中每个问题的解决，都会使学生综合实力得到进一步的提升。

2.2 在科研中的实施方案

2.2.1 单一运动平衡控制――侧向、俯仰

首先基于多体动力学方法建立侧向或俯仰运动的简化力学模型，基于模型采用部分反馈线性化法或其他方法设计平衡控制器，给出所设计的控制器的稳定条件。将控制器算法写入DSP控制板，完成单一运动的平衡控制实验。该实验是实现独轮车机器人全方位运动的基础。

2.2.2 综合运动平衡控制

基于多体动力学方法建立完整的机器人动力学模型，设计全方位运动的平衡控制器。仿真分析平衡运动的车体及各转盘运动轨迹，以及关节驱动力矩变化情况；实验验证所建立模型的可靠性和所设计的控制器的有效性。该部分实验涉及机器人全方位平衡控制，有较大难度。

2.2.3 转弯平衡机理

为使机器人更灵活的转向，机器人内部的物理参数（质量、转动惯量等）、几何参数（车轮半径、各构件质心高度、整体质心高度等）、控制参数（位置、速度反馈系数等）应如何设计或设置，这些参数对平衡控制的稳定性有何影响。这部分研究将从更深层次揭示机器人全方位运动（转弯平衡）的内在机理。

当然，科研与技术问题不局限于所列出的内容。随着研究的深入，还会有更多的不为人知的平衡机理等着我们去探索。

3 实验平台在教学与科研中的桥梁作用

教学与科研一直以来都不是对立体，它们之间有着相辅相成、互相促进的紧密联系。利用该独轮车机器人实验平台，教师将教学中学生学习、应用知识这一过程与科研中学生应用、创新知识这一目标有机的结合，为教学与科研架起一座桥梁。

【参考文献】

[1]郭洪红.工业机器人技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007，9.

[2]刘峰，魏明，马爱民.基于机器人活动的交通设备与控制工程专业大学生创新能力培养模式[J].科技视界，2015（11）：96-97.

[3]熊梅.独轮机器人姿态控制研究[D].哈尔滨工业大学，2010.

[4]庄未，黄用华，李雪梅，等.机器人研究在机械工程类应用创新型人才培养中的作用探索[J].教育教学论坛，2014（9）：189-191.