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ICRA 2020 | UCLA提出更灵活的机器人移动装置: 任意移动,独轮平衡

2020-07-09 09:55
将门创投
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作者是UCLA RoMeLa实验室在读博士生—沈骏杰,目前研究方向涉及机器人规划和控制。本文将分享他们在ICRA'20上的最新的工作:一种全新的自平衡全向独轮车(OmBURo),它采用一种全新的主动式全向轮机构AOW。这种全向轮的设计能够使得单一轮式机构同时具有纵向和横向的主动式移动能力,因此OmBURo能够做到在平面仅靠独轮保持平衡,进而在任意时刻能够向任意方向移动。

一、引 言

我们认为应用在空间狭小、人群密集环境中的机器人移动装置,需要做到以下几点:首先它的空间占有量需要小;其次它需要能做到全方向移动;最后它需要移动灵活,能够快速避障。

基于此,我们研发了OmBURo (Omnidirectional Balancing Unicycle Robot) ,一种全新的自平衡全向独轮车。目前已知的类似于OmBURo的机器人移动装置包括Segway两轮自平衡车,但它无法做到直接的横向移动(若需右行先得自转);老式的独轮车(使用类似反作用轮机构保持横向平衡)也无法做到全方向移动;Ballbot(以球代轮)和本田公司研发的U3-X可以做到以上三点,但我们认为摩擦传动会限制它们的使用环境和寿命。

二、OmBURo样机简介

OmBURo样机主要部件有实验室研发的主动式全向轮AOW (Active Omnidirectional Wheel),两个Dynamixel MX-64伺服电机(配有编码器),惯性测量单元(IMU),Arduino控制器以及锂电池。

区别于普通全向轮完全不受控制的从动轮,AOW使用斜齿轮组机构驱动其中部分,剩余由软轴 (flexible shaft) 连动,如上图所示。这样做的目的是为了减少齿轮损耗的同时减轻自身重量和转动惯量,以便取得更好的机动性。

三、建 模

省略掉枯燥繁琐的系统性数学建模,值得一提的是动力学模型在平衡点(OmBURo身体竖直,角度和角速度都为零)的附近基本上是线性的,如下图所示。这也解释了为何使用简单的线性控制器(基于线性化后的模型)对于类似自平衡移动机器人,就能有很好的平衡性能。

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