一种三电机全向双轮自平衡机器人及其控制方法

本发明属于机器人，具体涉及一种三电机全向双轮自平衡机器人及其控制方法。

背景技术：

1、随着机器人技术的快速发展，移动型机器人在智能交通、城市配送、物流仓储及服务行业中应用日益广泛。轮式机器人凭借其结构简洁、成本较低及较高机动性，已成为研究重点。双轮机器人基于倒立摆原理，通过调节车轮速度和角度实现平衡控制、前进与转向，其设计关键在于动态环境中运动稳定性与精确性的兼顾。现有双轮机器人技术主要面临以下问题：

2、1.自由度受限，运动模式单一：传统双轮机器人通常仅在平面内进行简单平衡控制和运动，难以应对复杂动态环境，其中，欠驱动系统自由度不足，无法独立控制所有运动，在复杂任务中易出现不稳定或失控；过驱动系统虽增强运动能力，但多个驱动装置协调困难，控制复杂度显著增加。

3、2.动力学建模与实时控制矛盾突出：牛顿欧拉法作为经典动力学建模方法，虽能精确描述系统动力学，但计算复杂度高、参数众多，导致实时控制存在延迟，而基于机器学习的代理模型虽能处理非线性问题，但高度依赖训练数据质量与数量，且“黑箱”特性影响可解释性，难以满足控制可靠性要求。

4、3.控制算法适应性不足：基于模型的控制方法在小范围运动中效果良好，但在大范围姿态变化时需采用滑模控制等非线性方法，算法设计复杂、计算开销大，而不基于模型的强化学习方法虽具灵活性，但训练缓慢、实时性差，其在高维空间中的应用仍然面临较大挑战。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术中存在的问题，提供了一种三电机全向双轮自平衡机器人及其控制方法。本装置采用三电机独立驱动架构，前轮控制前进与转向，后轮全向轮实现平衡调节，采用基于简化动力学模型的线性控制方法，提升建模精度与实时性，实现低速后轮平衡与高速前轮转向的协同控制，显著增强机动性、稳定性及复杂环境适应能力。

2、本发明提供一种三电机全向双轮自平衡机器人，包括：

3、车架；

4、前腿支架，其转动安装于所述车架前端，并由转向电机驱动其转动，以控制机器人转向；

5、前行走轮，其转动连接于所述前腿支架，并由前轮电机驱动其转动，其旋转轴线垂直于所述车架前进方向，以驱动机器人前进；

6、后腿支架，其安装于所述车架后端；

7、后全向轮，其转动连接于所述后腿支架，并由后轮电机驱动其转动，其旋转轴线平行于所述车架前进方向，以配合机器人转向；

8、力传感器，其安装于所述车架中部，以反馈平衡数据从而动态调整机器人的控制参数。

9、进一步的，还包括：

10、辅助轮，其位于所述车架腹部，且由连杆机构驱动其收纳或展开，其旋转轴线平行于所述车架前进方向。

11、进一步的，所述连杆机构包括均与所述车架转动连接的第一连杆和第三连杆；

12、所述第三连杆的远端铰接有第二连杆，所述第一连杆的远端铰接于所述第二连杆的中部，所述辅助轮转动连接于所述第二连杆的远端；

13、收纳电机，其安装于所述车架，用于驱动所述第三连杆转动，以实现辅助轮的收纳或展开。

14、进一步的，所述力传感器上方设有托盘，所述托盘中放置有重物，所述力传感器用于实时检测重物的压力分布情况，以反馈平衡数据。

15、一种三电机全向双轮自平衡机器人的控制方法，采用上述的一种三电机全向双轮自平衡机器人，包括：基于机器人结构特征，进行运动学建模，得到机器人的正向运动学方程，公式表达为：

16、（2.19）；

17、式中，和为机器人在惯性坐标系下的速度分量，分别表示机器人沿车架方向的速度和垂直车架方向的速度，

r为车轮半径，

l为车架长度，为机器人绕竖直轴的偏航角速度，工作空间包含机器人平面运动对应的三个自由度分量、、，控制空间为前轮转向角和前后轮转速和。

18、进一步的，基于运动学方程，进行动力学建模，包括：

19、角动量计算：根据机器人各部分的角速度和线速度，分别计算其相对于自身质心的角动量，角动量包括：绕自身质心旋转的自转角动量，质心绕系统参考点的轨道角动量；将各部分的角动量矢量叠加，得到总角动量。

20、外力矩计算：系统所受外力包括：各部分重力形成的重力矩，作用点为各部分的质心，前后轮与地面接触点处的摩擦力矩；选取前后轮接地点的连线作为力矩参考轴，由于摩擦力沿接地点连线方向的力矩分量为零，各部分重力矩等于该部分质量、重力加速度与质心到力矩轴垂直距离的乘积，将各部分的重力矩叠加，得到总外力矩；

21、动力学方程建立：根据角动量定理，系统总角动量对时间的变化率等于机器人所受总外力矩，公式表达为：

22、（2.27）；

23、式中，为总角动量的变化率，为总外力矩。

24、进一步的，进行瞬心空间运动学建模，包括：

25、坐标系建立：以机器人当前航向为基准建立航向坐标系，前行走轮与后全向轮在地面上的投影位置分别对应瞬心空间中的两个已知点，前后轮轮心速度方向均垂直于各自到瞬心的连线；

26、瞬心位置确定：根据前后轮速度方向的几何约束，前行走轮速度方向由转向角决定，后全向轮速度方向由其横向滚动特性决定，两速度方向垂线的交点为瞬心位置；

27、运动学约束：前行走轮假设无侧滑，后全向轮沿车架方向无速度约束但垂直于车架方向无侧滑；

28、控制空间转换：将瞬心坐标及绕瞬心的线速度作为工作空间变量，通过几何关系反解出前行走轮转向角、前行走轮自转角速度和后全向轮自转角速度三个控制量。

29、进一步的，前行走轮转向角、前行走轮自转角速度和后全向轮自转角速度，公式表达为：

30、（3.10）；

31、（3.11）；

32、（3.12）；

33、式中，为前行走轮转向角，为前行走轮自转角速度，为后全向轮自转角速度，

x与

y分别为瞬心横坐标与瞬心纵坐标，

v为绕瞬心的线速度。

34、进一步的，采用内外环分层控制架构：内环使用pd控制器，根据目标侧倾角和实际角度的差值来调整后轮电机的加速度；外环使用pi控制器，根据后轮电机的目标转速和当前速度的差来调整目标侧倾角，从而修正目标侧倾角。

35、进一步的，pid控制器具体方法包括：

36、计算理论侧倾角：计算出当前时刻的旋转半径，随后根据重力在水平面的分力等于旋转向心力的原理，计算理论侧倾角，公式表达为：

37、（3.14）；

38、式中，是当前时刻转向电机（9）的转角，为当前时刻的旋转半径，为当前时刻绕瞬心的线速度；

39、外环pi控制：外环以后轮电机的目标转速与实际转速之差作为输入误差，外环输出为侧倾角修正量，用于调整机器人的目标侧倾姿态，当实际转速低于目标值时，外环输出使目标侧倾角增大，当实际转速高于目标值时，外环输出使目标侧倾角减小，公式表达为：

40、（3.16）；

41、式中，为侧倾角修正量，为外环的速度比例增益，用于快速响应速度误差，为外环的速度积分增益，用于逐步消除稳态偏差，为速度误差，为速度误差的积分累积；

42、侧倾角合成：目标侧倾角包括：基于瞬心空间运动学计算的理论侧倾角，反映维持当前运动所需的固有倾倒程度，外环pi输出的修正量，用于补偿速度跟踪误差，两者之和作为内环pd的最终跟踪目标，公式表达为：

43、（3.17）；

44、式中，为总目标侧倾角，为理论侧倾角，为侧倾角修正量；

45、内环pd控制：内环以目标侧倾角与实际侧倾角之差作为输入误差，同时引入角速度误差进行微分超前补偿，内环输出为后轮电机的目标角加速度，经积分运算后得到电机转速指令，公式表达为：

46、（3.19）；

47、式中，为后轮电机的目标角加速度，为内环的侧倾角度比例增益，用于响应侧倾角度误差，为内环的侧倾角度微分增益，用于抑制角速度的变化，为角度误差，为理论侧倾角的变化速度，为实际侧倾角的变化速度；

48、力传感器反馈与状态更新：控制器通过惯性测量单元实时获取机器人当前侧倾角度和角速度，作为内环反馈，通过电机编码器获取后轮实际转速，作为外环反馈，各控制周期内，控制器根据最新反馈数据重新计算误差、更新控制输出，形成连续闭环调节，公式表达为：

49、（3.20）；

50、式中，为当前时刻后轮电机的转速指令，为控制周期，为上一控制周期后轮电机的转速，为后轮电机的目标角加速度。

51、在上述技术方案中，本发明提供的一种三电机全向双轮自平衡机器人及其控制方法，具有以下有益效果：

52、1.本技术采用三电机独立驱动架构，前轮控制前进与转向，后轮全向轮实现平衡调节，显著提升机动灵活性，突破传统双轮机器人自由度受限缺陷，实现平面内任意点旋转与全向运动，机器人兼具直行、原地转向、横向滑移等能力，高低速工况均可维持自平衡，环境适配性大幅增强，适应狭窄空间及复杂路径规划需求。

53、2.本技术引入瞬心空间运动学建模方法，突破传统双轮机器人转向受车架朝向约束的局限，依托前后轮速度垂线交点确定瞬时回转中心，建立目标运动与侧倾角的映射关系，该建模方式简化全向运动解算逻辑，让机器人可绕平面任意点位灵活转向，显著提升机器人平面机动自由度与复杂场景转向适配能力。

54、3.本技术采用外环pi速度闭环与内环pd倾角闭环的分层控制架构，以外环修正目标侧倾角、内环快速抑制倾角波动，结合简化动力学模型将非线性控制线性化，相较于传统单环pid控制器，该分层结构依托精准动力学参数优化控制量，抗外界扰动能力更强，可实现平衡姿态与行驶转速协同收敛，轨迹跟踪精度明显改善。

55、4.本技术依托系统辨识技术，标定机器人动力学关键参数，针对性修正摩擦、非线性带来的理论模型偏差，相较纯理论建模大幅提升动力学模型贴合度，获得贴近实际的动力学参数，降低计算复杂度，保障控制实时性，为闭环控制提供可靠基准，可实现侧倾角与后轮转速逐级收敛，确保控制系统实时响应外部环境变化。

56、5.本技术采用六维力传感器，通过实时检测重物压力分布，动态调整控制参数，使机器人在负载变化时自动适应重心偏移，保持平稳运动轨迹，提升仓储物流等场景的稳定性与可靠性，同时通过沉头螺栓进行直接连接，有效降低了因运动的产生振动而导致螺栓松动的风险，各结构模块均采用快速拆装设计，显著减少了拆装和维护时间，进一步提高了整机结构的可靠性与稳定性。