单球驱动机器人动力学建模与控制策略研究

"单球驱动机器人Ballbot的建模与控制研究" 单球驱动机器人，又称为Ballbot，是一种新型的动态平衡移动机器人，它的主要特点是通过一个球体来实现移动，这种设计使得机器人能够在地面任意方向无限制地运动，没有传统的转弯半径，更便于在人类环境中交互，并具有较高的稳定性。相比于静态稳定的多轮驱动机器人，Ballbot由于其动态平衡能力，能够更好地应对各种复杂情况，如快速变化的速度、斜坡行驶等，从而避免倾覆。 本文由周爱国和洪佳共同完成，他们来自同济大学机械与能源工程学院。研究中，他们首先对单球驱动机器人的机械结构进行了简要设计，然后利用拉格朗日方程建立了机器人的完整动力学模型。这个模型对于理解机器人的运动规律和进行精确控制至关重要。 在动力学模型线性化后，研究人员将其分解为一组独立的状态方程，进而设计了一个包含比例积分控制器（PID）和线性二次最优控制器（LQR）的多环控制策略。这种控制方法旨在确保机器人的稳定控制和轨迹跟踪控制，同时具备良好的响应特性和鲁棒性。 在控制策略的设计过程中，他们运用了仿真模块进行验证。仿真实验结果表明，所提出的控制策略能够有效地实现对机器人的稳定控制，使其能够准确跟踪设定的运动轨迹，而且表现出较好的动态性能和适应性。 关键词涉及：单球驱动机器人、跟踪控制、数学建模、拉格朗日方程。文献中提到了其他研究，如利用牛顿欧拉法建立动力学模型和应用滑模控制算法的尝试，以及采用二维加速度传感器和陀螺仪的控制方法，但这些方法在某些方面仍有改进空间，如控制精度和运动方向的准确性。 本文的研究亮点在于采用了三维惯性测量单元（IMU）作为传感器，这提高了机器人感知环境的能力，并且通过拉格朗日法建立的整体动力学模型为控制器设计提供了坚实的理论基础，从而提升了控制效果和运动精度。 这项研究深入探讨了单球驱动机器人的动态平衡建模和控制问题，为未来智能机器人领域的研究提供了有价值的参考和启示。