余晨雨 章 政 郭庆瑞 张舰栋 金 震

(*武汉科技大学机器人与智能系统研究院 武汉430081)

(**武汉科技大学冶金自动化与检测技术教育部工程研究中心 武汉430081)

(***武汉科技大学信息科学与工程学院 武汉430081)

0 引言

球形机器人是一种具有封闭球形外壳、一体化机械结构的移动机器人,其驱动方式主要有质心偏移驱动、动量轮驱动和电机直接驱动等方式。相比于传统的轮式、履带式移动机器人,球形机器人具有全封闭、运动灵活、平衡能力及自我恢复能力强等特点,在星球探索、危险环境探测等领域具有显著优势和广泛的应用前景[1]。

球形机器人是一个典型的欠驱动、非链式、强耦合和非线性的复杂系统,由于其独特的机械结构和行走方式,导致球形机器人的机理模型存在结构复杂、参数不确定等问题,因此运动控制一直是球形机器人领域研究重点之一。文献[2]在非完整约束的条件下,分别建立球形机器人的运动学和动力学模型,通过输入变换将动力学模型变换为一个两输入的二阶系统,并基于非线性滑模控制方法分别设计了横向姿态控制器和纵向速度控制器,保证被控系统的运动状态收敛到期望的邻域。文献[3]基于动力学模型设计了一个状态反馈控制器,利用李雅普诺夫定理验证了控制率的稳定性,并通过外壳跟踪预期角速度函数来使机器人完成预期运动。文献[4]研究了球形机器人在坡面上的建模和运动控制问题,利用拉格朗日方程建立了系统的动力学模型并通过比例积分微分(proportional-integral-derivative,PID)控制器实现了球形机器人在坡面上的稳定控制。……