作者是UCLA RoMeLa實驗室在讀博士生—沈駿杰，目前研究方向涉及機器人規(guī)劃和控制。本文將分享他們在ICRA＇20上的最新的工作：一種全新的自平衡全向獨輪車（OmBURo），它采用一種全新的主動式全向輪機構(gòu)AOW。這種全向輪的設(shè)計能夠使得單一輪式機構(gòu)同時具有縱向和橫向的主動式移動能力，因此OmBURo能夠做到在平面僅靠獨輪保持平衡，進(jìn)而在任意時刻能夠向任意方向移動。

一、引 言

我們認(rèn)為應(yīng)用在空間狹小、人群密集環(huán)境中的機器人移動裝置，需要做到以下幾點：首先它的空間占有量需要小；其次它需要能做到全方向移動；最后它需要移動靈活，能夠快速避障。

基于此，我們研發(fā)了OmBURo （Omnidirectional Balancing Unicycle Robot） ，一種全新的自平衡全向獨輪車。目前已知的類似于OmBURo的機器人移動裝置包括Segway兩輪自平衡車，但它無法做到直接的橫向移動（若需右行先得自轉(zhuǎn)）；老式的獨輪車（使用類似反作用輪機構(gòu)保持橫向平衡）也無法做到全方向移動；Ballbot（以球代輪）和本田公司研發(fā)的U3－X可以做到以上三點，但我們認(rèn)為摩擦傳動會限制它們的使用環(huán)境和壽命。

二、OmBURo樣機簡介

OmBURo樣機主要部件有實驗室研發(fā)的主動式全向輪AOW （Active Omnidirectional Wheel），兩個Dynamixel MX－64伺服電機（配有編碼器），慣性測量單元（IMU），Arduino控制器以及鋰電池。

區(qū)別于普通全向輪完全不受控制的從動輪，AOW使用斜齒輪組機構(gòu)驅(qū)動其中部分，剩余由軟軸 （flexible shaft） 連動，如上圖所示。這樣做的目的是為了減少齒輪損耗的同時減輕自身重量和轉(zhuǎn)動慣量，以便取得更好的機動性。

三、建 模

省略掉枯燥繁瑣的系統(tǒng)性數(shù)學(xué)建模，值得一提的是動力學(xué)模型在平衡點（OmBURo身體豎直，角度和角速度都為零）的附近基本上是線性的，如下圖所示。這也解釋了為何使用簡單的線性控制器（基于線性化后的模型）對于類似自平衡移動機器人，就能有很好的平衡性能。

四、控制器

剛才提到線性控制器，對于類似自平衡系統(tǒng)可能已經(jīng)足夠，但此結(jié)論是基于傳感器可以提供準(zhǔn)確讀數(shù)的情況下，或者說，可以提供與模型狀態(tài)變量一致的測量數(shù)據(jù)，而這一假設(shè)在現(xiàn)實中，基本無法實現(xiàn)，這也是為什么我們需要狀態(tài)估計 （state estimation） 的原因。

舉個例子，我們的狀態(tài)變量包括身體的角度，模型的角度θa是對于質(zhì)心的（因為當(dāng)θa為零時OmBURo才能平衡），而實際讀取到的角度θm，由于IMU裝配誤差和自身偏差，可能沒有任何物理意義（你也不知道它測量的到底是啥），當(dāng)然這兩個角度實際上不會差很多，但對于自平衡移動機器人，一點點誤差也是致命的。

幸運的是，對于這類自平衡移動機器人，相比復(fù)雜的狀態(tài)估計，我們有一個更加便捷的方法處理這一問題。我們首先可以以θm讀數(shù)為基準(zhǔn)設(shè)計控制器，如果目標(biāo)是OmBURo速度為零原地平衡，但結(jié)果是它持續(xù)往某一方向（比如向右）移動的話，那我們則可知需要向反方向（比如向左）調(diào)整θm讀數(shù)，調(diào)整的大小可基于OmBURo的移動距離以及速度，反之亦然。綜上，我們設(shè)計的控制器如下圖所示，包含一個基于模型的LQR控制器（用于追蹤參考速度）以及一個用于調(diào)整角度讀數(shù)的PI控制器。

五、實驗結(jié)果

基于以上OmBURo樣機以及控制器設(shè)計，我們成功完成了一系列實驗測試，包括原地自平衡、自抗擾、速度跟蹤、路徑跟隨、甚至斜坡平衡。

責(zé)任編輯：xj