毛丽民，卢振利，朱培逸，刘叔军

（常熟理工学院 电气与自动化工程学院，常熟 215500）

0 引言

自平衡机器人的概念源于二十世纪八十年代，基于倒立摆的模型，其系统是一个非线性、强耦合、多变量和自然不稳定的系统[1]。

轮球自平衡机构组成的机器人通过自身的平衡调节器，使其在球上近似平稳的站立，实现动态平衡。球与地面有一个微小的接触点，和一般的多轮车相比，单足平衡机器人灵活性更好。可以应用到大型购物中心、际会议或展览场所等领域，根据不同的应用场合加入各类不同功能，例如加入避障、定位和网络访问控制，实现物体运送的功能

1 机器人机构及自平衡原理

1.1 机器人机构

机器人结构主要由主控制器、主框架、蓝牙模块、陀螺仪模块、各类模块等组成。机器人总高度为28cm；身长25cm，宽25cm；全向轮直径5cm；球直径18cm。机器人模型如图1所示。

图1中数字代表：1为构架，2为电机驱动，3为主控制器独立电源，4为OLED，5为主控制器，6为蓝牙模块，7为24V电源8为稳压模块，9为总开关，10为直流电机，11为全向轮。

图1 轮球自平衡机器人模型（无球部分机构）

根据上述模型，设计完成第一代轮球自平衡机器人（无球部分机构）样机如图2所示。

图2 轮球自平衡机器人样机

1.2 轮球移动机器人自平衡原理

该机器人驱动部分是通过三个电机驱动的轮子，组成一个平面，彼此相差120度。该部分与球组成一个移动机构，该球直径应该满足R球＞α*R万向轮组, α为实验安全系数，这里取1.414。

在机器人维持平衡过程中，由于变化的角度相对较小，把机器人的运动系统近似的看成平面，建立的运动模型如图3所示。……