本书讲述了两轮直立式机器人的进化历史、基本构造、运动原理以及应用前景,描述了一种腰椎由弹簧和旋转铰链构成的柔性两轮直立式机器人系统,包括柔性两轮直立式机器人的物理系统设计和制作、数学模型、姿态检测方法、运动平衡控制。特别地,本书构建了柔性两轮直立式机器人仿生的姿态“感党运动”系统,使其具有仿生的操作条件反射行为,能自主学习平衡技能,像人和动物一样,通过操作条件反射式的学习,渐进地形成、发展和完善其运动平衡控制技能。
前 言
有一类机器人,称为自平衡机器人,是机器人家族中重要的一族进入21世纪后,在机器人学和机器人技术领域,自平衡机器人由于其固有的不稳定动力学特性,引发了人们极大的研究兴趣,各种先进的自平衡机器人系统相继诞生。其中,两轮直立式机器人是最典型的自平衡机器人。
从美国、日本等国家对于机器人学和机器人技术的研究中可以发现,两轮直立式机器人是机器人的一种重要形式,是体现一个国家机器人学和机器人技术研究水平的重要依据之一
在实验机器人学的意义下,两轮直立式机器人是重要的科学实验仪器,对于机器人学及其相关学科的科学研究和科学实验有重要价值。同时,两轮机器人具有占地面积小和运动灵活敏捷的特点,可以在许多特殊的环境(如空间狭小的搜救地或拥挤的办公环境)中获得应用,也可作为特殊交通工具、特殊运载工具、特殊运动器械、残疾人保障系统等,应用于现代社会的许多领域。
两轮直立式机器人的运动平衡控制问题,是机器人学和机器人技术研究的重要问题,同时也是控制科学研究的重要问题。
作者及其研究闭队在国家高技术研究发展计划(No.2007AO4Z226)和国家自然科学基金资助项目(No,60774077)的支持下,对两轮直立式机器人展开了研究,研制出我国原创的具有自主知识产权的“原人”系列柔性两轮直立式机器人。其特征是:具有柔性的机体结构,能更好地模拟人和动物的生物动力学特性。因而,“原人”系列柔性两轮直立式机器人具有更好的仿生性质。
“原人”机器人具有优良的自平衡能力和机动性能,可以完成自由平衡、定点平衡、自旋、环绕、巡航等多种基本的运动模式,鲁棒性好,能应对外部较大的冲击扰动和阶氏扰动,能适应较复杂的外部环境,在崎岖路面上行进,跨越障碍,上下坡道的坡度可达25,其运动平衡控制能力可与国外同类机器人系统媲美。人或动物的运动平衡控制技能来自于小脑及其“感觉运动”系统,而操作条件反射是感觉运动系统最为基本的和最为重要的学习机制,人或动物的运动平衡控制技能正是基于这种学习机制渐进地形成和发展的。“原人”机器人具有人工“感觉运动”系统,具有基于 Skinner的操作条件反射理论的操作学习机制,能像人和动物一样,自主地学习运动平衡控制技能。
本书记录了作者及其研究团队关于“原人”机器人的研究工作,讲述了“原人”机器人物理系统的设计、数学模型与动力学分析、姿态檢测方法、运动平衡控制、自主学习运动平衡技能等内容,具有一定的理论和实践指导意义。
由于作者的水平有限,书中难免存在不妥之处,敬请读者批评和指正。
