一種蛙板機(jī)器人的速度控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種蛙板機(jī)器人的速度控制方法，屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 機(jī)器人技術(shù)是涉及機(jī)械學(xué)、傳感器技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)和計算機(jī) 技術(shù)的一門綜合性的高新技術(shù)，隨著時代的變迀，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與科技的進(jìn)步日益顯著。如 今，機(jī)器人技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，在軍事、社會生產(chǎn)、醫(yī)療、服務(wù)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng) 用。機(jī)器人一般都由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動裝置、檢測裝置、控制系統(tǒng)和復(fù)雜機(jī)械等構(gòu)成。
[0003] 隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人系統(tǒng)也變得越來越復(fù)雜，這給機(jī)器人的控制帶來 了困難。尤其是當(dāng)機(jī)器人系統(tǒng)具備非線性、強(qiáng)耦合、滯后性及時變性等特征時，常規(guī)的控制 算法很難取得好的控制效果，因此目前出現(xiàn)了好多智能控制算法，如模糊控制、最優(yōu)控制、 魯棒控制及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法等。蛙板機(jī)器人雙擺臂的運動方式使機(jī)器人系統(tǒng)具有非線 性、滯后性及時變性的特點，驅(qū)動電機(jī)速度不變時，機(jī)器人的前進(jìn)速度往往波動較大，影響 機(jī)載傳感器的測量，不利于以后的應(yīng)用，因此如何找到合適的控制算法對其前進(jìn)速度進(jìn)行 穩(wěn)定控制成為必須解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種蛙板機(jī)器人的速度控制方法，可以有效的解決機(jī)器 人前進(jìn)速度波動較大以及難以控制的問題。
[0005] 本發(fā)明的蛙板機(jī)器人的速度控制方法，其包括以下內(nèi)容：
[0006] 蛙板機(jī)器人通過兩個腿臂內(nèi)擺、外擺交替實現(xiàn)前進(jìn)，且分別控制兩個腿臂在內(nèi) 擺、外擺時相對于蛙板機(jī)器人的角速度從而控制蛙板機(jī)器人的前進(jìn)加速度；兩個腿臂向蛙 板機(jī)器人對稱軸靠近的狀態(tài)為內(nèi)擺，兩個腿臂離開蛙板機(jī)器人對稱軸的狀態(tài)為外擺；
[0007] (1)蛙板機(jī)器人在下坡的運動情況時：
[0008] 步驟1，測量蛙板機(jī)器人的兩個腿臂與蛙板機(jī)器人對稱軸之間的擺角，將兩個腿臂 的擺角轉(zhuǎn)動到最大后保持恒定；
[0009] 步驟2,測量蛙板機(jī)器人的前輪轉(zhuǎn)動速度，根據(jù)該前輪轉(zhuǎn)動速度獲得蛙板機(jī)器人的 前進(jìn)速度，當(dāng)該前進(jìn)速度大于或等于設(shè)定閾值時，通過控制蛙板機(jī)器人的剎車舵機(jī)帶動剎 車片與前輪進(jìn)行摩擦以實現(xiàn)減速，直至蛙板機(jī)器人的前進(jìn)速度小于設(shè)定閾值，控制剎車舵 機(jī)松開；
[0010] (2)蛙板機(jī)器人在除下坡以外的其他運動情況時：
[0011] 在兩個腿臂外擺時，保持兩個腿臂相對于蛙板機(jī)器人的角速度即外擺速度《亙 定，且《QUt= 〇? 78rad/s ;
[0012] 在兩個腿臂內(nèi)擺時，實時獲取給定前進(jìn)速度與實際前進(jìn)速度之差作為前進(jìn)速度誤 差，根據(jù)前進(jìn)速度誤差與前進(jìn)速度誤差的誤差變化率獲得實時控制量；根據(jù)該實時控制量 實時控制蛙板機(jī)器人的內(nèi)擺速度。
[0013] 進(jìn)一步的，蛙板機(jī)器人擺臂的內(nèi)擺擺角和外擺擺角的范圍均取為 [3 31/20, 11Ji/40]，擺幅均取為Amp= 31/8。
[0014] 進(jìn)一步的，其特征在于，蛙板機(jī)器人在內(nèi)擺到規(guī)定最小位置時停止150ms。
[0015] 進(jìn)一步的，實時控制量的獲取方法為：
[0016] 將前進(jìn)速度誤差與前進(jìn)速度誤差的誤差變化率作為模糊PID控制器的輸入量，進(jìn) 行模糊化處理和隸屬度函數(shù)計算后獲得模糊規(guī)則表里對應(yīng)的PID參數(shù)；對該P(yáng)ID參數(shù)進(jìn)行 模糊推理后得到實時控制量。
[0017] 本發(fā)明的有益效果：
[0018] 1、對蛙板機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行了建模、仿真和實驗，得到了影響機(jī)器人速度的決定因 素。
[0019] 2、利用模糊PID算法實現(xiàn)了機(jī)器人前進(jìn)速度的穩(wěn)定控制，為機(jī)器人以后的應(yīng)用奠 定了基礎(chǔ)。
[0020] 3、解決了機(jī)器人下坡時速度不受控的問題，使機(jī)器人在下坡時速度可以保持的在 某一給定速度范圍內(nèi)。
【附圖說明】
[0021] 圖1是蛙板機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)圖；
[0022] 圖2是蛙板機(jī)器人的整體受力分析圖；
[0023] 圖3是速度控制系統(tǒng)整體框圖；
[0024] 圖4是模糊PID控制器原理框圖；
[0025] 圖5是模糊PID控制算法仿真與實驗結(jié)果圖；
[0026] 圖6是速度階躍響應(yīng)及穩(wěn)態(tài)速度變化圖。
[0027] 其中，I-反偏向輪、2_角度傳感器、3-電機(jī)、4_轉(zhuǎn)向舵機(jī)、5_剎車舵機(jī)、6_剎車片、 7-碼盤、8-腿臂、9-前輪，10-中央支撐平臺。
【具體實施方式】
[0028] 下面結(jié)合附圖舉例說明本發(fā)明的內(nèi)容。
[0029] 機(jī)器人的質(zhì)心加速度只與腿臂擺角與反偏向角有關(guān)，因此通過控制機(jī)器人的擺動 幅度和擺動速度可以實現(xiàn)加速度的控制，進(jìn)而控制機(jī)器人的前進(jìn)速度。本發(fā)明的蛙板機(jī)器 人的速度控制方法在控制中采取恒定的外擺速度，效果較佳的《_= 〇. 78rad/s，在 內(nèi)擺過程中利用模糊PID控制機(jī)器人的速度。原因如下：
[0030] 如圖1所示，為蛙板機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)圖，主要由反偏向輪1、角度傳感器2、電機(jī) 3、轉(zhuǎn)向舵機(jī)4、剎車舵機(jī)5、剎車片6、碼盤7、腿臂8、前輪9和中央支撐平臺10構(gòu)成。反偏 向輪1的作用是在腿臂8的擺動下產(chǎn)生推力，腿臂8的擺動靠電機(jī)3的正反轉(zhuǎn)進(jìn)行帶動，角 度傳感器2用于檢測腿臂的實時擺動位置，轉(zhuǎn)向舵機(jī)用于帶動前輪9進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，剎車舵機(jī)5 用于帶動剎車片6實現(xiàn)進(jìn)行剎車，中央支撐平臺10用于支撐和連接各構(gòu)件。
[0031] 兩個電機(jī)3的電機(jī)軸分別與一端兩個腿臂8連接，兩個反偏向輪1分別與兩個腿 臂8另一端連接，在蛙板機(jī)器人的中央支撐平臺10與腿臂8的連接處設(shè)置角度傳感器2,轉(zhuǎn) 向舵機(jī)4穿過中央支撐平臺10的前端與前輪9連接，剎車舵機(jī)5設(shè)置在前輪9 一側(cè)，碼盤 7和剎車片6均設(shè)置在前輪9的端面處，且剎車片6與剎車舵機(jī)5活動連接。
[0032] 如圖2所示，為蛙板機(jī)器人的整體受力分析圖，各參數(shù)所代表的含義如下： NfMnt-前輪受到地面的支持力、隊，隊_左右兩腿臂受到地面的支持力、Gp-機(jī)器人支撐平臺的 重量、kG廣機(jī)器人左右腿臂的重量、左右腿臂萬向輪受到地面的反偏向力、ffMnt-前 輪與地面之間的滾動摩擦力、f\，f；-左右反偏向輪與地面間的滾動摩擦力、《u 兩腿臂 相對于支撐平臺的角速度、0「萬向輪偏離腿臂平衡位置角度、萬向輪傾斜軸與豎 直方向的夾角、9 u，9 機(jī)器人有關(guān)角度變量、巾u 兩腿臂與機(jī)器人整體前進(jìn)方向的 夾角、-中央支撐平臺尺寸參數(shù)、-中央支撐平臺尺寸參數(shù)、中央支撐平臺尺寸參 數(shù)、L2-腿臂長度、Le-中央支撐平臺重心與前輪的距離、前輪作用點到兩腿臂萬向輪 作用點水平直線距離、h-腿臂與中央支撐平臺重心距離地面的高度、VP-中央支撐平臺相對 地面的速度。
[0033] 為了便于機(jī)器人模型的簡化，在前進(jìn)模型的研宄中，主要做以下幾點假設(shè)及考慮： 反偏向輪受到地面的反偏向力F、支持力N和滑動摩擦力f以及兩腿臂的重力和支持力的 作用點位于同一點，都位于萬向輪與地面的接觸點上；由于滾動摩擦力4和遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于前 輪的滾動摩擦力f fMnt，所以在此忽略4和的力矩作用；機(jī)器人在進(jìn)行腿臂擺動換向時， 外向輪偏離角度0值瞬間變換且達(dá)到預(yù)定的值；前進(jìn)模型只考慮機(jī)器人在水平面上的運 動情況。
[0034] 建模方法過程如下：
[0035] 1?進(jìn)行動力學(xué)分析
[0036] 結(jié)合正余弦定理對機(jī)器人進(jìn)行受力分析，建立力和力矩平衡方程式，可以得到：
[0037] 1A ? cos (屯2+ 9 21)+lrNr ? cos (屯2+ 9 2r)=
[0038] GpLe+Gili ? cos (^2+ 0 21) +Grlr ? cos (^2+ 0 2r) (1)
[0039] +Fxh ? sin +Frh ? sin (<i> r+ r)
[0040] 機(jī)器人直線前進(jìn)時，腿臂主要做開合運動，并且為了保證其運動性能的穩(wěn)定性和 運動的合理性，機(jī)器人的腿臂作對稱運動。因此這里進(jìn)行變量的統(tǒng)一：
[0041] 隊=N r= N，G 丄=G r= G，0 21= 0 2r= 0 2
[0042] 0 11= 0 lr= 0 li= 1 r= 1, w x= w r= w
[0043] <}>!= <i> r= <i>, 0 != 0 r= 0 ,FX= Fr= F,f!=fr=fleg
[0044] 2?對機(jī)器人前進(jìn)過程中的推力進(jìn)行分析
[0045] 機(jī)器人前進(jìn)時所受到的推力：
[0046] Fforward= 2F ? sin (<}> + 0 ) = 2N ? tan 入? sin 0 ? sin (<}> + 0 ) (2)
[0047] 這里設(shè)定，0偏離平衡位置向內(nèi)，為負(fù)值；偏離平衡位置向外，為正值。
[0048] 綜合式（1)和式⑵可得：
[0050] 3?對機(jī)器人受到的阻力進(jìn)行分析
[0051] 機(jī)器人在前進(jìn)時，主要受到前后輪與地面產(chǎn)生的滾動摩擦力fMllW及機(jī)器人與空 氣摩擦產(chǎn)生的阻力?，機(jī)器人受到總的阻力為：
[0052] f=froll+fair=(GP+2G-2N) yroll+2Ny roll ?cos((i> + ) +KairVp (4)
[0053] 這里給定滾動摩擦系數(shù)yMll= 0? 02,空氣阻力系數(shù)Kair= 0? 1。
[0054] 4.進(jìn)行質(zhì)心加速度的計算
[0055] 假設(shè)機(jī)器人運動過程中的質(zhì)心加速度為a。，則由沖量定理可得：
[0057] 聯(lián)立式⑷和式（5)可得：
[0059] 聯(lián)立式⑶和式（6)可得：