車輛工程畢業(yè)論文84686063

1、Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET.大連理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計XXXX大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）低重心式兩兩輪車動動力學(xué)建建模與分分析Dynammic Moddeliing andd Annalyyzinng oof aa Twwo-wwheeeledd Veehiccle witth LLoweer-ggravvityy學(xué) 院（系系）： 汽車工工程學(xué)院院 專 業(yè)： 車輛工工程 學(xué) 生 姓姓 名： 劉德春春 學(xué) 號： 220066730003 指 導(dǎo) 教教 師： 岳岳明 評 閱 教教 師： 陳廣義

2、義 完 成 日日 期： 20110.66.8 大連理工大大學(xué)Daliaan UUnivverssityy off Teechnnoloogy- PAGE II - PAGE II -摘 要隨著科學(xué)技技術(shù)的迅迅速發(fā)展展，移動動機(jī)器人人得到越越來越多多的關(guān)注注。兩輪輪自平衡衡機(jī)器人人作為一一種典型型的輪式式移動機(jī)機(jī)器人，具有適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)，移動和轉(zhuǎn)向靈活方便、運(yùn)動效率高、能量損耗小等特點，能夠完成多輪機(jī)器人無法完成的復(fù)雜運(yùn)動及操作，特別適用于工作環(huán)境變化大、任務(wù)復(fù)雜的場合，因此自平衡兩輪機(jī)器人在工業(yè)、民用、軍事以及太空探索等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。但是，由于兩輪自平衡機(jī)器人屬于非完整約束、欠驅(qū)動系

3、統(tǒng)，具有多變量、非線性和欠驅(qū)動的特點，因此其動力學(xué)方程復(fù)雜，控制系統(tǒng)設(shè)計難度大，限制了該類機(jī)器人的發(fā)展。本文在總結(jié)結(jié)現(xiàn)有各各種兩輪輪自平衡衡機(jī)器人人樣機(jī)構(gòu)構(gòu)型的基基礎(chǔ)之上上，提出出一種新新型的兩兩輪自平平衡機(jī)器器人構(gòu)型型方案低重重心式兩兩輪車，該該兩輪車車能夠進(jìn)進(jìn)行全方方位行走走，運(yùn)動動速度快快，零轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)彎半徑徑，具有有靈活的的運(yùn)動能能力。不不同于倒倒立擺式式的設(shè)計計結(jié)構(gòu)，由由于采用用下垂擺擺式的結(jié)結(jié)構(gòu)，因因此該兩兩輪車系系統(tǒng)具有有本質(zhì)穩(wěn)穩(wěn)定性。針對一般兩輪車車體產(chǎn)生的震蕩現(xiàn)象，我們提出采用磁流變效應(yīng)的原理，對車體震蕩現(xiàn)象進(jìn)行主動抑制。通過對低重心式兩輪車的運(yùn)動規(guī)律，轉(zhuǎn)向機(jī)理進(jìn)行分析，建立了低重

4、心式兩輪車的動能、勢能和磁流變阻力矩的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而利用拉格朗日方程建立了低重心式兩輪車的動力學(xué)模型，為低重心式兩輪車控制策略的設(shè)計提供了理論依據(jù)。最后利用MMATLLAB對對得到的的動力學(xué)學(xué)模型進(jìn)進(jìn)行了仿仿真分析析，以獲得期期望的低低重心式式兩輪車車的位移移、速度度、擺角角的實驗驗曲線。通通過分析析仿真數(shù)數(shù)據(jù)驗證證了建立立的動力力學(xué)模型型正確性性與有效效性。關(guān)鍵詞：兩兩輪車；非完整整約束；動力學(xué)學(xué)建模；拉格朗朗日乘子子法- PAGE IX -Dynammic Moddeliing andd Annalyyzinng oof aa Twwowheeeleed VVehiiclee wiith

5、Loww-grraviityAbstrractt With thee deevellopmmentt off thhe sscieencee annd ttechhnollogyy, mmoree atttenntioon foccus on thee moobille rroboot. As a kkindd off whheelled mobbilee roobott, ttwo-wheeeleed sselff-baalanncedd roobotts hhavee thhe ccapaabillityy too addaptt thhe ccompplexx siituaatioons

6、. It ccan movve aand shiift fleexibbiliity. Theerefforee, ttwo-wheeeleed sselff-baalanncedd roobott caan pperfformm sevveraal rrounnds of thee coompllicaatedd mootioon wwhicch tthe mullti-wheeeleed rroboot ccan nott acchieeve, esspecciallly in thee chhanggefuul eenviironnmennt ssuchh ass sppacee exx

7、ploorattionn, ttopoograaphiic rrecoonnaaisssancce aand traanspporttatiion of danngerrouss gooodss. SSo iit iis ssuittablle forr deetecctinng in narrroww annd ddanggeroous spaace andd haas aa wiide forregrrounnd bbothh inn ciivilliann annd sspacce eexplloree. Butt twwo-wwheeeledd seelf-ballancced rob

8、bot hass muultii-vaariaablee, nnon-linnearr annd pparaametter unccerttainnty chaaraccterristticss. TTherrefoore, thhe ddynaamicc eqquattionn iss quuitee coompllex andd itt iss diiffiicullt tto ddesiign a cconttroll syysteem .Botth oof tthe neggatiive facctorrs limmiteed tthe devveloopmeent of succh

9、rroboots.Basedd onn suummaarizzatiionss off thhe ppressentt twwo-wwheeeledd seelf-ballancced robbot in vieew oof sstruuctuure, a neww twwo-wwheeeledd seelf-ballancced robbot hass beeen proopossed. Thhat is Twoo-whheelled Vehhiclle wwithh Loow ggravvityy. TTwo-wheeeleed VVehiiclee wiith Loww grraviit

10、y is chaaraccterrizeed bby rappid mottionn, iit ccan botth rrun in omnni dirrecttionn annd tturnn wiith zerro rradiius. Thee deesiggn oof tthe strructturee iss diiffeerennt ffromm thhe iinveerteed ppendduluum. Due to adoopt thee sttruccturre oof hhangged ppendduluum, thee twwo wwheeeledd veehiccle w

11、itth llow graavitty hhas thee naaturre oof sstabbiliity. In ordder to adddresss tthe vibbrattionn phhenoomennon whiich is genneraallyy exxistted in thee twwo wwheeeledd veehiccle, we ppropposee a metthedd too usse tthe priinciiplee off maagneetorrheoologgicaal eeffeect on thee boody to supppreess th

12、ee shhockk phhenoomenna. Thiis ppapeer aanallyzees tthe laww off mootioon aand steeeriing mecchannismm off thhe ttwo-wheeeleed vvehiiclee wiith loww grraviity. Thhrouugh anaalyssis of robbot in dettaill, we get robbots mmodeel oof kkineeticc ennerggy aand pottenttiall ennerggy. Twoo-whheelled sellf-

13、bbalaanceed rrobootss dyynammic moddel is eestaabliisheed bby uusinng LLagrrangge equuatiion, andd itt wiill proovidde aa thheorretiicall baasiss foor tthe conntroolleer ddesiign.Simullatiion is devveloopedd deerivved dynnamiic mmodeel aabovve uusinng MMATLLAB to proove thee efffecctivveneess. At la

14、sst wwe oobtaain thee deesirred expperiimenntall cuurvee off thhe ddispplaccemeent, veeloccityy, ttiltt annglee off thhe ttwo wheeeleed vvehiiclee wiith lowwer-graavitty. Thee annalyysiss off thhe ssimuulinnk rresuultss aree connducctedd too ennsurre tthe vallidiity andd effficcacyy off thhe pproppo

15、seed ddynaamicc moodell.Key WWordds：TTwo-wheeeleed VVehiiclee；Noonhoolonnomiic；Dynnamiic MModeel; Laggrannge mulltipplieer目 錄TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc263784677 摘 要 PAGEREF _Toc263784677 h I HYPERLINK l _Toc263784678 Abstrractt PAGEREF _Toc263784678 h II HYPERLINK l _Toc263784679 1 文獻(xiàn)獻(xiàn)綜述 PAGER

16、EF _Toc263784679 h 1 HYPERLINK l _Toc2637846880 1.11 課課題背景景 PAGEREF _Toc263784680 h 1 HYPERLINK l _Toc263784681 1.2 兩輪自自平衡機(jī)機(jī)器人的的研究現(xiàn)現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc263784681 h 2 HYPERLINK l _Toc263784682 1.2.11 兩輪輪自平衡衡機(jī)器人人的國外外研究現(xiàn)現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc263784682 h 2 HYPERLINK l _Toc263784683 1.2.22 兩輪輪自平衡衡機(jī)器人人國內(nèi)研研究現(xiàn)狀狀 PAGEREF

17、 _Toc263784683 h 5 HYPERLINK l _Toc263784684 1.3典型型兩輪自自平衡機(jī)機(jī)器人系系統(tǒng)性能能分析與與比較 PAGEREF _Toc263784684 h 7 HYPERLINK l _Toc263784685 1.4兩輪輪自平衡衡機(jī)器人人研究發(fā)發(fā)展趨向向 PAGEREF _Toc263784685 h 9 HYPERLINK l _Toc263784686 1.55課題的的意義及及研究的的主要內(nèi)內(nèi)容 PAGEREF _Toc263784686 h 10 HYPERLINK l _Toc263784687 2 低重心心式兩輪輪車樣機(jī)機(jī)介紹 PAGEREF

18、 _Toc263784687 h 11 HYPERLINK l _Toc263784688 2.1 引引言 PAGEREF _Toc263784688 h 11 HYPERLINK l _Toc263784689 2.2 低低重心式式兩輪車車構(gòu)型設(shè)設(shè)計介紹紹 PAGEREF _Toc263784689 h 11 HYPERLINK l _Toc263784690 2.3低重重心式兩兩輪車磁磁流變阻阻尼器減減震設(shè)計計 PAGEREF _Toc263784690 h 12 HYPERLINK l _Toc263784691 2.3.11 磁流流變液 PAGEREF _Toc263784691 h

19、12 HYPERLINK l _Toc263784692 2.3.22 剪切式式磁流變變旋轉(zhuǎn)阻阻尼器的的結(jié)構(gòu)及及其工作作原理 PAGEREF _Toc263784692 h 13 HYPERLINK l _Toc263784693 2.4低重重心式兩兩輪車運(yùn)運(yùn)動機(jī)理理分析 PAGEREF _Toc263784693 h 14 HYPERLINK l _Toc263784694 2.4.11 低重重心式兩兩輪車前前向運(yùn)動動機(jī)理分分析 PAGEREF _Toc263784694 h 14 HYPERLINK l _Toc263784695 2.4.22 低重重心式兩兩輪車轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向運(yùn)動動機(jī)理分分析 P

20、AGEREF _Toc263784695 h 15 HYPERLINK l _Toc263784696 2.5 本本章小結(jié)結(jié) PAGEREF _Toc263784696 h 16 HYPERLINK l _Toc263784697 3 基于拉拉格朗日日方程的的系統(tǒng)動動力學(xué)建建模 PAGEREF _Toc263784697 h 17 HYPERLINK l _Toc263784698 3.1 引引言 PAGEREF _Toc263784698 h 17 HYPERLINK l _Toc263784699 3.2典型型的動力力學(xué)建模模方法 PAGEREF _Toc263784699 h 17 HY

21、PERLINK l _Toc263784700 3.3低重重心式兩兩輪車動動力學(xué)建建模的理理論基礎(chǔ)礎(chǔ) PAGEREF _Toc263784700 h 19 HYPERLINK l _Toc263784701 3.3.11 非完完整系統(tǒng)統(tǒng)概述 PAGEREF _Toc263784701 h 19 HYPERLINK l _Toc263784702 3.3.22 廣義坐坐標(biāo)與約約束力 PAGEREF _Toc263784702 h 19 HYPERLINK l _Toc263784703 3.3.33 基本本形式的的拉格朗朗日方程程 PAGEREF _Toc263784703 h 20 HYPER

22、LINK l _Toc263784704 3.4 低低重心式式兩輪車車動力學(xué)學(xué)建模的的假設(shè)條條件 PAGEREF _Toc263784704 h 23 HYPERLINK l _Toc263784705 3.5 低低重心式式兩輪車車動力學(xué)學(xué)建模的的系統(tǒng)坐坐標(biāo)系 PAGEREF _Toc263784705 h 24 HYPERLINK l _Toc263784706 3.6 低低重心式式兩輪車車約束力力模型 PAGEREF _Toc263784706 h 24 HYPERLINK l _Toc263784707 3.7 低低重心式式兩輪車車動能模模型 PAGEREF _Toc263784707

23、h 25 HYPERLINK l _Toc263784708 3.7.11低重心心式兩輪輪車的車車輪動能能模型 PAGEREF _Toc263784708 h 25 HYPERLINK l _Toc263784709 3.7.22低重心心式兩輪輪車的配配重動能能模型 PAGEREF _Toc263784709 h 28 HYPERLINK l _Toc263784710 3.8低重重心式兩兩輪車的的勢能模模型 PAGEREF _Toc263784710 h 28 HYPERLINK l _Toc263784711 3.9低重重心式兩兩輪車的的磁流變變阻尼力力矩模型型 PAGEREF _Toc2

24、63784711 h 29 HYPERLINK l _Toc263784712 3.9.11剪切式式磁流變變液阻尼尼器磁場場誘導(dǎo)阻阻尼力矩矩的計算算 PAGEREF _Toc263784712 h 29 HYPERLINK l _Toc263784713 3.9.22剪切式式磁流變變液阻尼尼器粘性性阻尼力力矩的計計算 PAGEREF _Toc263784713 h 29 HYPERLINK l _Toc263784714 3.10低低重心式式兩輪車車完整動動力學(xué)模模型 PAGEREF _Toc263784714 h 30 HYPERLINK l _Toc263784715 3.11低低重心式式

25、兩輪車車的完整整動力學(xué)學(xué)模型的的處理 PAGEREF _Toc263784715 h 33 HYPERLINK l _Toc263784716 3.12本本章小結(jié)結(jié) PAGEREF _Toc263784716 h 35 HYPERLINK l _Toc263784717 4 低重心心式兩輪輪車MAATLAAB仿真真 PAGEREF _Toc263784717 h 36 HYPERLINK l _Toc263784718 4.1 引引言 PAGEREF _Toc263784718 h 36 HYPERLINK l _Toc263784719 4.2 低低重心式式兩輪車車MATTLABB仿真分分析

26、 PAGEREF _Toc263784719 h 36 HYPERLINK l _Toc263784720 4.3 低低重心式式兩輪車車MATTLABB仿真模模型 PAGEREF _Toc263784720 h 37 HYPERLINK l _Toc263784721 4.4 低低重心式式兩輪車車前向運(yùn)運(yùn)動仿真真分析 PAGEREF _Toc263784721 h 38 HYPERLINK l _Toc263784722 4.5 低低重心式式兩輪車車零半徑徑轉(zhuǎn)向運(yùn)運(yùn)動仿真真分析 PAGEREF _Toc263784722 h 40 HYPERLINK l _Toc263784723 4.6 低

27、低重心式式兩輪車車任意半半徑轉(zhuǎn)向向運(yùn)動仿仿真分析析 PAGEREF _Toc263784723 h 42 HYPERLINK l _Toc263784724 4.7 磁磁流變阻阻尼仿真真分析 PAGEREF _Toc263784724 h 44 HYPERLINK l _Toc263784725 4.8 本本章小結(jié)結(jié) PAGEREF _Toc263784725 h 47 HYPERLINK l _Toc263784726 結(jié) 論 PAGEREF _Toc263784726 h 48 HYPERLINK l _Toc263784727 參 考 文文 獻(xiàn) PAGEREF _Toc263784727

28、 h 49 HYPERLINK l _Toc263784728 致 謝 PAGEREF _Toc263784728 h 50 PAGE 2 PAGE 801 文獻(xiàn)獻(xiàn)綜述1.1 課題背背景隨著科學(xué)技技術(shù)的發(fā)發(fā)展和人人類活動動范圍的的擴(kuò)大，機(jī)機(jī)器人特特別是移移動機(jī)器器人在太太空探索索、軍事事、工業(yè)業(yè)、消防防、反恐恐等領(lǐng)域域中的應(yīng)應(yīng)用越來來越廣泛泛。輪式式機(jī)器人人由于具具有運(yùn)動動平穩(wěn)、容容易控制制，轉(zhuǎn)向向靈活的的優(yōu)點，從機(jī)器器人研究究伊始就就吸引了了眾多研研究人員員的目光光。在輪式機(jī)器器人工作作過程中中可能會會遇到工工作區(qū)域域狹窄、路路面不平平等復(fù)雜多多變的工作環(huán)環(huán)境在這這種情況況下要求求兩輪車車經(jīng)

29、常轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向，如如何在這這樣復(fù)雜雜多變的的環(huán)境里里靈活快快捷的完完成任務(wù)務(wù)，使機(jī)機(jī)器人不不但能夠夠適應(yīng)特特定的環(huán)環(huán)境及任任務(wù)需求求，而且且在動態(tài)態(tài)變化的的復(fù)雜未未知環(huán)境境中也能能夠體現(xiàn)現(xiàn)出高度度的靈活活適應(yīng)性性，成為為一個值值得重點點研究的的課題。在這種應(yīng)用用背景下下兩輪自自平衡機(jī)機(jī)器人應(yīng)應(yīng)運(yùn)而生生。在結(jié)結(jié)構(gòu)上兩兩輪自平平衡機(jī)器器人系統(tǒng)統(tǒng)的兩個個車輪位位于同一一軸線上上，同時兩兩個車輪輪分別由由直流伺伺服電機(jī)機(jī)獨(dú)立驅(qū)驅(qū)動，通通過運(yùn)動動保持動動態(tài)自平平衡。兩兩輪自平平衡機(jī)器器人作為為一個新新興的研研究方向向，結(jié)合合了輪式式與自主主移動機(jī)機(jī)器人的的特點，為為傳統(tǒng)的的機(jī)器人人技術(shù)注注入了新新的生機(jī)機(jī)與活

30、力力。與傳傳統(tǒng)的輪輪式移動動機(jī)器人人相比，兩兩輪自平平衡機(jī)器器人具有有在以下下方面展展現(xiàn)出極極大的優(yōu)優(yōu)勢：轉(zhuǎn)彎半徑為為零：機(jī)機(jī)器人能能繞機(jī)器器人本體體中心旋旋轉(zhuǎn)，因因此有利利于在狹狹窄場所所改變方方向，可可以在小小空間范范圍靈活活運(yùn)動，移移動軌跡跡更為靈靈活易變變，彌補(bǔ)補(bǔ)了傳統(tǒng)統(tǒng)多輪機(jī)機(jī)器人布布局的缺缺點。驅(qū)動功率比比較小，相同的的能量能能夠行使使更長的的里程。無剎車系統(tǒng)統(tǒng)：兩輪輪自平衡衡機(jī)器人人由CPPU控制制左右車車輪的輸輸出力矩矩，從而而達(dá)到快快速穩(wěn)定定的剎車車效果，控控制極其其方便。與與此同時時兩輪自自平衡機(jī)機(jī)器人在在控制方方面也表表現(xiàn)出起起動方便便、前進(jìn)進(jìn)自如的的特點。應(yīng)用場合廣廣泛

31、：可可應(yīng)用于于步行街街、廣場場等汽車車無法通通行、步步行不便便的場合合。從以上分析析我們可可以看出出相較于于傳統(tǒng)的的移動機(jī)機(jī)器人，兩輪自平衡機(jī)器人適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)，兩輪自平衡機(jī)器人體積小、運(yùn)動靈活、適應(yīng)地形變化能力強(qiáng)、能夠方便地實現(xiàn)零半徑回轉(zhuǎn)、魯棒性強(qiáng)、適于在狹小和危險的工作空間內(nèi)活動、能夠勝任一些復(fù)雜環(huán)境里的工作。因此，兩輪自平衡機(jī)器人在工業(yè)、民用、軍事以及太空探索等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景。此外，由于微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、電源技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)、傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，為兩輪自平衡機(jī)器人技術(shù)提供了堅實的理論基礎(chǔ)并極大的降低了研制成本，有力地推動了兩輪自平衡機(jī)器人由理論研究向工程實踐發(fā)展

32、。與此同時，由于兩輪自平衡機(jī)器人屬于非完整約束、欠驅(qū)動系統(tǒng)，因此也存在控制系統(tǒng)復(fù)雜的缺點。因此對兩輪自平衡機(jī)器人建立動力學(xué)模型，然后尋找控制方式的優(yōu)化策略成為當(dāng)前機(jī)器人研究中的一大熱點。與其它移動動機(jī)器人人相比,兩輪自自平衡機(jī)機(jī)器人由由于結(jié)構(gòu)構(gòu)形狀和和實際應(yīng)應(yīng)用中表表現(xiàn)出很很多獨(dú)特特的優(yōu)勢勢,所以以從該類類機(jī)器人人出現(xiàn)以以來,迅迅速得到到各國機(jī)機(jī)器人研研究人員員的廣泛泛關(guān)注，吸吸引了越越來越多多的研究究人員投投入到兩兩輪自平平衡機(jī)器器人的研研究之中中。1.2 兩輪自自平衡機(jī)機(jī)器人的的研究現(xiàn)現(xiàn)狀最早提出兩兩輪自平平衡機(jī)器器人構(gòu)想想的是日日本的KKazuuo YYamaafujji教授授。近幾幾年

33、，隨隨著兩輪輪自平衡衡機(jī)器人人的研究究不斷開開展，該該項技術(shù)術(shù)開始成成為全球球機(jī)器人人控制技技術(shù)的研研究熱點點之一。美美國、日日本、瑞瑞士和法法國的研研究機(jī)構(gòu)構(gòu)及公司司相繼開開始了這這方面的的應(yīng)用研研究，已已經(jīng)在系系統(tǒng)設(shè)計計與實現(xiàn)現(xiàn)、建模模、自平平衡策略略、運(yùn)動動規(guī)劃等等方面取取得了進(jìn)進(jìn)展。目目前，國國內(nèi)關(guān)于于兩輪自自平衡機(jī)機(jī)器人的的研究處處于起步步階段?，F(xiàn)階段段主要針針對機(jī)器器人建模模與實驗驗原型機(jī)機(jī)的研制制進(jìn)行研研究。下下面，首首先對現(xiàn)現(xiàn)有的兩兩輪自平平衡機(jī)器器人系統(tǒng)統(tǒng)進(jìn)行介介紹。1.2.11 兩輪自自平衡機(jī)機(jī)器人的的國外研研究現(xiàn)狀狀1996年年，日本本Tsuukubba大學(xué)學(xué)的Naaoj

34、ii Shhirooma等等人在前前人設(shè)計計的基礎(chǔ)礎(chǔ)上提出出了使用用倒立擺擺原理構(gòu)構(gòu)造兩輪輪車的想想法并且且設(shè)計了了多個兩兩輪倒立立擺機(jī)器器人合作作運(yùn)輸重重物。在在試驗中中通過操操作者的的干預(yù)和和操作者者手指的的協(xié)助成成功地實實現(xiàn)了物物體搬運(yùn)運(yùn)。圖11-1是他們設(shè)設(shè)計的搬搬運(yùn)物體體的兩輪輪倒立擺擺機(jī)器人人的樣機(jī)機(jī)模型。在這一模型當(dāng)中通過人和輪式倒立擺機(jī)器人合作組成的系統(tǒng)實現(xiàn)了物體搬運(yùn)的功能。在該系統(tǒng)控制設(shè)計中姿態(tài)測量采用陀螺儀，機(jī)器人由一個電機(jī)驅(qū)動因此只能實現(xiàn)直線運(yùn)動。在控制算法上機(jī)器人在優(yōu)化極點配置的基礎(chǔ)上，利用狀態(tài)反饋算法得到搬運(yùn)物體時所需抵抗外力的數(shù)值。 圖11-1 兩輪輪倒立擺擺機(jī)器人

35、人2002年年，來自自美國的的研究學(xué)學(xué)者Daan PPipooni設(shè)設(shè)計了如如圖1-2所示的的兩輪自自平衡機(jī)機(jī)器人EEquiibott。他所涉涉及的兩兩輪自平平衡機(jī)器器人工作作原理與與Leggwayy類似，所所不同的的是它采采用靈敏敏紅外線線測距儀儀作為傳傳感器。這這種機(jī)器器人的一一個比較較明顯的的局限是是只適用用于比較較平坦的的路況。一旦路路面不平平坦或者者路面情情況特別別不好的的情況出現(xiàn)現(xiàn)，該機(jī)器人人就會跌倒倒造成無法法正常行行走的情情況。該機(jī)器器人的另另外一個個比較明明顯的缺缺陷是其其動力分分配不夠夠準(zhǔn)確，造成對電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動所消耗的電流會導(dǎo)致傳感器測量不準(zhǔn)確。 圖1-2 機(jī)器器人Eqq

36、uibbot 2003年年，西澳澳大利亞亞大學(xué)的的R.CC.Oooi完成成了平衡衡兩輪自自主移動動機(jī)器人人的論文文，該機(jī)器人人樣機(jī)模模型如圖圖1-33所示。該該機(jī)器人人樣機(jī)為為研究多多傳感器器數(shù)據(jù)融融合和卡卡爾曼濾濾波提供供了測試試完美的的測試平平臺。與與此同時時它還可可以作為為測試倒倒立擺系系統(tǒng)的不不穩(wěn)定性性和極點配配置算法法等線性性控制理理論提供供了理想想的研究究平臺。該機(jī)器人在系統(tǒng)建模時充分考慮了電機(jī)模型對系統(tǒng)動力學(xué)性能的影響，感知系統(tǒng)采用陀螺儀和傾角計，通過LQR、極點配置法實現(xiàn)了機(jī)器人的平衡。R.C.Ooi的一個創(chuàng)新就是從理論上提出了PID參數(shù)、濾波器參數(shù)的調(diào)節(jié)規(guī)律，并經(jīng)過實驗驗證，

37、從而保證了控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可靠、準(zhǔn)確的工作。 圖1-3 可移動動機(jī)器人人2002年年，法國國Vallencciennness大學(xué)的的H.TTirmmantt、M.BBalooh等人人將兩輪輪機(jī)器人人的概念念應(yīng)用到到城市自自主出租租汽車BB2中，并且且提出了了兩種可可供選擇擇的控制制方法：一種是是標(biāo)準(zhǔn)的的線性控控制法。在動態(tài)態(tài)平衡點點的設(shè)計計中忽略略一些干干擾等非非線性因因素從而而通過使使電機(jī)輸輸出最小小的力矩矩保持機(jī)機(jī)器人的的動態(tài)平平衡；另外一種控制制方法是是平行分分布補(bǔ)償償法，HH.Tiirmaant、M.BBalooh在控控制中引引入了TTS模糊糊模型，建建模時考考慮了一一些非線線性

38、因素素因而能夠夠給出比比較精確確的非線線性表示示的數(shù)學(xué)學(xué)模型。經(jīng)經(jīng)過實驗驗可以發(fā)發(fā)現(xiàn)其平平衡效果果比較好好，但是也犧牲了了實時性性。如果模模糊控制制穩(wěn)定性性評價標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)增加加，控制制規(guī)則將將呈幾何何級數(shù)增增加。BB2的體體積只有有普通轎轎車的十十分之一一，占用用城市空空間小。而而且從汽汽車發(fā)展展的角度度看，BB2在能能量效率率方面極極具競爭爭力，減減少了污污染與交交通堵塞塞，符合合現(xiàn)代社社會運(yùn)輸輸?shù)男枨笄?，增加加了城市市的活力力。B22的結(jié)構(gòu)構(gòu)如圖11-4所示。 圖1-4 兩輪輪城市自自主出租租車 2002年年，美國國Leggo公司司的工程程師Stevve HHasssenpplugg設(shè)計了了如

39、圖11-5所示的的兩輪自自平衡傳傳感式機(jī)機(jī)器人LLegwway。設(shè)設(shè)計中引入了了電機(jī)的的差動驅(qū)驅(qū)動方式式,它可可以工作作在傾斜斜面甚至至不規(guī)則則表面上上，并可可遙操作作。通過過對電動動機(jī)進(jìn)行行遙控，Legway可以在前行，退行或者轉(zhuǎn)彎時保持平衡。它可以實現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)向運(yùn)動和U型回轉(zhuǎn)運(yùn)動。圖1-5 移動動機(jī)器人人Leggwayy1.2.22 兩輪輪自平衡衡機(jī)器人人國內(nèi)研研究現(xiàn)狀狀香港中文大大學(xué)的徐徐揚(yáng)生教教授，在在20世世紀(jì)900年代曾曾經(jīng)設(shè)計計過一種種名為“Gyrroveer”的獨(dú)輪輪車，如如圖1-6所示。GGyrooverr在外形形上屬于于橢球形形，在運(yùn)運(yùn)動方式式上以前前向滾動動為主，驅(qū)驅(qū)動力

40、矩矩來源于于偏心力力矩，應(yīng)應(yīng)用陀螺螺效應(yīng)實實現(xiàn)其轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向。圖1-6 移動動機(jī)器人人Gyrroveer2005年年，西安安電子科科技大學(xué)學(xué)葉聰紅紅、徐文文龍等研研制出如如圖1-7所示的的帶有兩兩個隨動動輪的兩兩輪驅(qū)動動小車。在控制算法上一個比較鮮明的特點就是在環(huán)境信息完全已知的情況下，實現(xiàn)了兩輪小車期望的路徑規(guī)劃。并且通過速度反饋和位置反饋，提高了兩輪車的抗干擾能力。圖1-7 電子子科大兩兩輪車2004年年，中國國科技大大學(xué)段旭旭東、魏魏衡華等等模仿機(jī)機(jī)器人JJoe設(shè)設(shè)計了如如圖1-8所示的的二輪小小車-倒倒立擺系系統(tǒng)，并并針對系系統(tǒng)建模模過程中中可能出出現(xiàn)的不不確定性性以及噪噪聲問題題進(jìn)行了了研

41、究。根根據(jù)系統(tǒng)統(tǒng)的動態(tài)態(tài)特性，通通過經(jīng)典典牛頓力力學(xué)原理理建立了了系統(tǒng)在在斜坡上上的的動動態(tài)模型型。采用用魯棒控控制算法法，保證證了系統(tǒng)統(tǒng)的動態(tài)態(tài)和穩(wěn)態(tài)態(tài)性能。在在控制結(jié)結(jié)構(gòu)上通通過采用用無限沖沖激響應(yīng)應(yīng)（IIIR）數(shù)數(shù)字濾波波的方法法來抑制制陀螺儀儀的噪聲聲，減少少了陀螺螺儀的測測量誤差差。但是是在受力力分析過過程中沒沒有考慮慮外界的的擾動力力，在建建模過程程中忽略略了滑動動摩擦力力、車體體與車輪輪之間的的摩擦力力矩。通通過加速速度計對對角度進(jìn)進(jìn)行校正正的效果果不好，沒沒能從根根本上克克服陀螺螺儀噪聲聲引起的的零點漂漂移問題題。圖1-8 兩輪輪倒立擺擺小車1.3典型型兩輪自自平衡機(jī)機(jī)器人系系

42、統(tǒng)性能能分析與與比較通過對兩輪輪自平衡衡機(jī)器人人的研究究現(xiàn)狀進(jìn)進(jìn)行分析析，我們們可以發(fā)發(fā)現(xiàn)不同同類型的的兩輪自自平衡機(jī)機(jī)器人，其其機(jī)械結(jié)結(jié)構(gòu)、工工作原理理、傳感感器選擇擇、處理理器數(shù)量量、元器器件布局局及控制制算法都都存在著著很大差差異。同時通過對對兩輪自自平衡機(jī)機(jī)器人的的研究我我們可以以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)現(xiàn)有的兩兩輪自平平衡機(jī)器器人主要要分為倒倒立擺式式（集中中式）和和質(zhì)量均均布式（堆堆疊式）。倒倒立擺式式機(jī)器人人質(zhì)量主主要集中中在車軸軸和擺桿桿頂端，有有一定長長度的擺擺桿，設(shè)設(shè)計時可可以充分分借鑒倒倒立擺的的研究成成果，但但是擴(kuò)展展空間相相對有限限；質(zhì)量量均布式式機(jī)器人人采用分分層布置置的思想想，將元

43、元器件按按照功能能逐層布布置，降降低了機(jī)機(jī)器人的的高度，提提高了運(yùn)運(yùn)動靈活活性，結(jié)結(jié)構(gòu)層次次清晰，擴(kuò)擴(kuò)展功能能方便。但是同時我我們也可可以看到到現(xiàn)有的的兩輪自自平衡機(jī)機(jī)器人的的質(zhì)心主主要是分分布在兩兩輪車的的上部，因因此現(xiàn)有有的兩輪輪自平衡衡機(jī)器人人均可以以稱為高高重心兩兩輪自平平衡機(jī)器器人，現(xiàn)現(xiàn)階段兩兩輪自平平衡機(jī)器器人高重重心分布布的主要要原因一一方面是是為了設(shè)設(shè)計時可可以充分分借鑒倒倒立擺的的研究成成果，另另一方面面是由于于現(xiàn)階段段兩輪自自平衡機(jī)機(jī)器人的的使用上上主要還還是需要要與操作作者的交交互。操操作者在在使用現(xiàn)現(xiàn)有兩輪輪自平衡衡機(jī)器人人時可以以站在兩兩輪自平平衡機(jī)器器人的上上面，適

44、適應(yīng)高重重心自平平衡的要要求。但但是另一一方面在在空間探探索以及及一些不不適宜人人工操作作的惡劣劣環(huán)境下下，現(xiàn)有有兩輪自自平衡機(jī)機(jī)器人則則存在著著明顯的的不足，因因此在機(jī)機(jī)器人研研究中針針對自適適應(yīng)性高高智能性性的要求求，眾多多研究者者開發(fā)出出了一系系列低重重心機(jī)器器人，其其中比較較有代表表的低重重心機(jī)器器人就是是球形機(jī)機(jī)器人。2005年年，瑞典典烏普薩薩拉大學(xué)學(xué)的布魯魯恩等人人研制出出了一種種用于星星球探測測的球形形機(jī)器人人SMIIPS。該機(jī)機(jī)器人由由一根長長軸和一一個配重重塊組成成。它有有兩個驅(qū)驅(qū)動電機(jī)機(jī):一個個電機(jī)驅(qū)驅(qū)動長軸軸轉(zhuǎn)動，另另一個電電機(jī)驅(qū)動動配重塊塊在與長長軸的同同一平面面上擺

45、動動。這兩兩種運(yùn)動動的合成成實現(xiàn)了了球形機(jī)機(jī)器人的的全方位位運(yùn)動。該該球形機(jī)機(jī)器人的的結(jié)構(gòu)簡簡圖如圖圖1-99所示圖1-9 球形形機(jī)器人人另外還有一一種介于于兩輪自自平衡機(jī)機(jī)器人和和球形機(jī)機(jī)器人之之間的機(jī)機(jī)器人，它它由兩個個半球組組成，并并可以分分別獨(dú)立立控制，如圖1-10所示。電機(jī)驅(qū)動安裝在球形機(jī)器人的底部，通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變機(jī)器人的運(yùn)動速度。當(dāng)機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時，將一個電機(jī)的速度減小即可實現(xiàn)。兩個半球體之間的空隙可以用來安裝多種傳感器，這種結(jié)構(gòu)失去了傳統(tǒng)球形機(jī)器人的封閉特性，但同時也具有兩輪自平衡機(jī)器人的一些優(yōu)點與特性。圖1-100 介于于球形機(jī)機(jī)器人和和兩輪自自平衡機(jī)機(jī)器人之之間的機(jī)機(jī)器

46、人圖1-111為美國國國防局研研究的SSuboot機(jī)器器人。Subbot機(jī)機(jī)器人吸吸收了兩兩輪自平平衡機(jī)器器人和球球星機(jī)器器人的雙雙重優(yōu)點點因而在在形狀上上兼具兩兩輪車和和球形機(jī)機(jī)器人的的特征。Subot機(jī)器人的兩個半球殼充當(dāng)輪子分別由電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動。圖1-100 機(jī)機(jī)器人SSuboot結(jié)構(gòu)構(gòu)圖通過對機(jī)器器人構(gòu)型型研究現(xiàn)現(xiàn)狀的分分析，可可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)當(dāng)前開開發(fā)的大大多數(shù)機(jī)機(jī)器人主主要是利利用驅(qū)動動配重沿沿著與球球體固連連的輪輻輻運(yùn)動或或軸改變變配重重重心來實實現(xiàn)行走走，配重型型驅(qū)動型型機(jī)器人人能以零零轉(zhuǎn)彎半半徑向任任意方向向運(yùn)動，與與傳統(tǒng)的的輪式驅(qū)驅(qū)動機(jī)器器人相比比，其行行走方式式有了本本質(zhì)的改改進(jìn)

47、。因因此本課課題通過過參考兩兩輪自平平衡機(jī)器器人和球球形機(jī)器器人的各各種模型型與樣機(jī)機(jī)，力主主設(shè)計一一種新型型的配重重驅(qū)動型型兩輪自自平衡機(jī)機(jī)器人低重重心式兩兩輪車，以以此擴(kuò)大大傳統(tǒng)兩兩輪自平平衡機(jī)器器的使用用范圍并并增強(qiáng)其其智能性性和自適適應(yīng)性。1.4兩輪輪自平衡衡機(jī)器人人研究發(fā)發(fā)展趨向向我們看到雖雖然目前前已經(jīng)存存在很多多兩輪自自平衡機(jī)機(jī)器人的的制造樣樣機(jī)，但但是能真真正應(yīng)用用于實際際工程項項目和實實踐應(yīng)用用的并不不多，產(chǎn)產(chǎn)生這種種情況的的主要原原因有以以下幾點點：1. 由于于兩輪自自平衡機(jī)機(jī)器人的的特殊構(gòu)構(gòu)型以及及非完整整約束問問題，其其研究難難度較大大。目前前兩輪自自平衡機(jī)機(jī)器人在在結(jié)

48、構(gòu)設(shè)設(shè)計方面面的研究究尚不成成熟，很很多課題題有待進(jìn)進(jìn)一步的的探索和和完善。當(dāng)當(dāng)前還沒沒有一套套成熟的的兩輪自自平衡機(jī)機(jī)器人結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計計體系，機(jī)機(jī)器人的的許多結(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)尚需完完善。兩兩輪自平平衡機(jī)器器人的結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計計與其運(yùn)運(yùn)動學(xué)和和動力學(xué)學(xué)的研究究獨(dú)立進(jìn)進(jìn)行，還還較少將將動力學(xué)學(xué)的研究究成果應(yīng)應(yīng)用在兩兩輪自平平衡機(jī)器器人的結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計計當(dāng)中。2. 兩輪輪自平衡衡機(jī)器人人研究的另另一個難難題就是是控制難難問題。由由于現(xiàn)階階段開發(fā)發(fā)的兩輪輪自平衡衡機(jī)器人人有應(yīng)用到到空間探探測等無無人環(huán)境境以及某某些環(huán)境境惡劣不不適宜人人工操作作的環(huán)境境中的使使用要求求，這就就要求兩兩輪自平平衡機(jī)器器人有高高度的自

49、自適應(yīng)自自治能力力。然而而由于非非完整約約束等具具有較強(qiáng)強(qiáng)非線性性因素的的影響，所所以準(zhǔn)確確描述機(jī)機(jī)器人運(yùn)運(yùn)動的動動力學(xué)方方程復(fù)雜雜，經(jīng)典典成熟的的線性近近似及靜靜態(tài)反饋饋理論不不能應(yīng)用用于控制制系統(tǒng)的的設(shè)計。在在者由于于兩輪自自平衡機(jī)機(jī)器人內(nèi)內(nèi)部空間間狹小，為為放置控控制器和和傳感器器帶來不不便，電電機(jī)供電電引線易易發(fā)生纏纏繞現(xiàn)象象。因此此，探索索設(shè)計適適用于兩兩輪自平平衡機(jī)器器人的控控制結(jié)構(gòu)構(gòu)將為兩兩輪自平平衡機(jī)器器人的廣廣泛應(yīng)用用打下良良好的基基礎(chǔ)。3. 兩輪輪自平衡衡機(jī)器人人現(xiàn)階段段不能廣廣泛應(yīng)用用的另外外一個很很重要的的因素在在于兩輪輪自平衡衡機(jī)器人人現(xiàn)階段段僅僅具具有移動動能力?，F(xiàn)

50、階段兩輪自平衡機(jī)器人缺乏操作執(zhí)行能力是一個嚴(yán)峻的現(xiàn)實?？偟膩碇v，現(xiàn)階段兩輪自平衡機(jī)器人主要研究動態(tài)平衡過程中的運(yùn)動控制問題，其關(guān)鍵是解決在機(jī)器人前進(jìn)、后退、旋轉(zhuǎn)等各種運(yùn)動狀態(tài)下，如何設(shè)計控制策略，保持車體系統(tǒng)的動態(tài)自平衡以及受干擾后能立即恢復(fù)平衡的問題。因此兩輪自平衡機(jī)器人系統(tǒng)的研究主要分為以下幾個方面：機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計及建模；機(jī)器人自平衡算法研究；機(jī)器人導(dǎo)航與運(yùn)動控制策略研究；機(jī)器人異常過程中定位控制策略研究；機(jī)器人能量優(yōu)化控制策略研究等。1.5課題題的意義義及研究究的主要要內(nèi)容兩輪自平衡衡機(jī)器人人的概念念是在220世紀(jì)紀(jì)90年年代末提提出的，是是智能機(jī)機(jī)器人領(lǐng)領(lǐng)域中一一個嶄新新的研究究方向，

51、與與傳統(tǒng)輪輪式移動動機(jī)器人人相比，它它運(yùn)動靈靈活、環(huán)環(huán)境適應(yīng)應(yīng)性強(qiáng)、能能夠方便便地實現(xiàn)現(xiàn)零半徑徑回轉(zhuǎn)，具具有廣闊闊的發(fā)展展前景。因因此，及及早開展展該領(lǐng)域域的研究究，對于于拓展機(jī)機(jī)器人的的應(yīng)用范范圍、提提高機(jī)器器人的控控制水平平，追蹤蹤世界先先進(jìn)技術(shù)術(shù)，提高高國內(nèi)兩兩輪機(jī)器器人的研研究水平平，擴(kuò)展展其應(yīng)用用領(lǐng)域具具有重要要的理論論及現(xiàn)實實意義。動力學(xué)模型型是對低低重心式式兩輪車車的準(zhǔn)確確描述。建建立低重重心式兩兩輪車的的動力學(xué)學(xué)模型有有利于對對低重心心式兩輪輪車的深深入了解解，通過過數(shù)學(xué)的的語言對對低重心心式兩輪輪車的的的運(yùn)動特特性、狀狀態(tài)變化化加以描描述，也也有利于于研究交交流，為為建立低低

52、重心式式兩輪車車的統(tǒng)一一模型做做出貢獻(xiàn)獻(xiàn)。動力力學(xué)模型型和結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計相相結(jié)合是是機(jī)器人人研究的的較新領(lǐng)領(lǐng)域，通通過這種種研究有有利于明明確機(jī)器器人的各各部分結(jié)結(jié)構(gòu)的意意義，可可以提高高其結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計的的規(guī)范性性和目的的性。本論文將針針對設(shè)計計的新型型低重心心式兩輪輪車進(jìn)行行動力學(xué)學(xué)建模，以以便為后后續(xù)控制制策略的的研究打打下堅實實的基礎(chǔ)礎(chǔ)。本課課題設(shè)計計的這種種低重心心式兩輪輪車是通通過同一一根軸線線上的兩兩個電機(jī)機(jī)來實現(xiàn)現(xiàn)該低重重心式兩兩輪車的的驅(qū)動和和轉(zhuǎn)向兩兩種運(yùn)動動方式。該該低重心心式兩輪輪車在設(shè)設(shè)計上的的一大亮亮點在于于試圖將將磁流變變液引入入結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計中，利利用磁流流變液通通電時的的物

53、態(tài)變變化來對對配重進(jìn)進(jìn)行主動動控制。因因此本文文將試圖圖建立以以左右驅(qū)驅(qū)動電機(jī)機(jī)的轉(zhuǎn)矩矩和磁流流變液的的電流為輸入入，以球球形機(jī)器器人的質(zhì)質(zhì)心，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角和配配重的擺擺角為輸輸出的動動力學(xué)模模型，并并且通過過MATTLABB仿真來來驗證所所建立動動力學(xué)模模型的正正確性與與可靠性性。2 低重心心式兩輪輪車樣機(jī)機(jī)介紹2.1 引引言由于兩輪自自平衡機(jī)機(jī)器人發(fā)發(fā)展的歷歷史相對對來說比比較短暫暫，其運(yùn)運(yùn)動機(jī)理理上也與與以往機(jī)機(jī)器人的的實現(xiàn)方方式有很很大不同同，所以以盡管現(xiàn)現(xiàn)在該類類機(jī)器人人的樣機(jī)機(jī)已經(jīng)出出現(xiàn)了很很多，但但是并不不十分成成熟和完完善，很很多設(shè)計計形式正正處在不不斷摸索索之中。目目前很多多性能良

54、良好的兩兩輪自平平衡機(jī)器器人樣機(jī)機(jī)都是在在不斷的的對以往往設(shè)計方方案進(jìn)行行改進(jìn)，在在總結(jié)成成功的經(jīng)經(jīng)驗、失失敗的教教訓(xùn)之后后而提出出來的。在總結(jié)和借借鑒國內(nèi)內(nèi)外現(xiàn)有有各種兩兩輪自平平衡機(jī)器器人和球球形機(jī)器器人構(gòu)型型的基礎(chǔ)礎(chǔ)上，本本章提出出一種兩兩電機(jī)同同軸共線線放置的的構(gòu)型方方案，設(shè)設(shè)計出低低重心式式兩輪車車的樣機(jī)。2.2 低低重心式式兩輪車車構(gòu)型設(shè)計計介紹文獻(xiàn)綜述中中所列舉舉的兩輪輪子平衡衡機(jī)器人人都是利利用車體體內(nèi)部的的重力偏偏離車體體的形心心，從而而形成關(guān)關(guān)于地面面接觸點點的重力力矩進(jìn)行行前向滾滾動的。由由于配重重驅(qū)動型型機(jī)器人人相比其其它驅(qū)動動形式的的機(jī)器人人具有得得天獨(dú)厚厚的優(yōu)勢勢因

55、此低低重心式式兩輪車車在構(gòu)型型上也采采用配重重驅(qū)動方方式。 圖2-1 低重心心式兩輪輪車構(gòu)型型簡圖本課題在設(shè)設(shè)計低重重心式兩兩輪車的的時候，考考慮將兩兩個電機(jī)機(jī)同軸共共線放置置。這種種布置方方案不用用將配重重被動的的分成兩兩部分，為為加大配配重部分分在整機(jī)機(jī)中所占占的比例例提供了了保證。通通過分析析，初步步設(shè)計了了如上圖2-1所示示的構(gòu)型型方案。在在此方案案中，低低重心式式兩輪車車在結(jié)構(gòu)構(gòu)上主要要可以分分成相對對獨(dú)立的的三部分分:配重重機(jī)構(gòu)、車車輪機(jī)構(gòu)構(gòu)、車體體支撐部部分：電電動機(jī)1和電電動機(jī)22的轉(zhuǎn)軸軸分別與與左右車車輪相連連，然后后用套筒筒將電動動機(jī)1和和電動機(jī)機(jī)2的電電機(jī)殼相相連，由由電

56、池控控制器等等組成的的配重則則通過一一擺臂與與套筒相相連。2.3低重重心式兩兩輪車磁磁流變阻阻尼器減減震設(shè)計計無論是兩輪輪自平衡衡機(jī)器人人還是前前面介紹紹的球形形機(jī)器人人，凡是是屬于配配重驅(qū)動動型的機(jī)機(jī)器人都都會面臨臨這樣一一個問題題：機(jī)器器人在運(yùn)運(yùn)動過程程中配重重的質(zhì)心心會隨著著時間的的變化而而變化，這這樣勢必必造成機(jī)機(jī)器人在在運(yùn)動過過程中的的震蕩與與不穩(wěn)定定，尤其其是配重重的極度度不穩(wěn)定定。就如如何解決決這一問問題，本本低重心心式兩輪輪車在設(shè)設(shè)計過程程中嘗試試考慮在在配重的的擺臂一一端加入入磁流變變阻尼器器來實現(xiàn)現(xiàn)對配重重擺角的的主動控控制，從從而有效效的抑制制低重心心式兩輪輪車在運(yùn)運(yùn)動過

57、程程中的震震蕩與不不穩(wěn)。下下面有必必要對磁磁流變液液的減震震原理加加以介紹紹：2.3.11 磁流流變液磁流變液是是一種在在非導(dǎo)磁磁性母液液中添加加軟磁性性微粒(微米級級)和表表面活性性分散劑劑等的懸懸濁液,在外加加磁場作作用下,其動力力粘度變變化過程程是連續(xù)續(xù)、無級級的,與與外加勵勵磁電流流存在某某種函數(shù)數(shù)關(guān)系,利用磁磁流變液液做成的的阻尼器器易于與與計算機(jī)機(jī)技術(shù)相相結(jié)合實實現(xiàn)實時時控制和和半主動動、主動動控制的的車輛用用智能阻阻尼器磁磁流變液液是微米米尺寸的的磁極化化顆粒分分散于非非磁性液液體(礦物油油、硅油油等)中形成成的懸浮浮液. 磁流變變液在外外加磁場場作用下下表現(xiàn)出出一種非非線性流流

58、變效應(yīng)應(yīng),即粘度度、塑性性和粘彈彈性具有有急劇變變化性、可可控性和和可逆性性。 利用磁磁流變效效應(yīng)響應(yīng)應(yīng)迅速和和易于控控制的特特點,可設(shè)計計出適用用于主動動和半主主動控制制的阻尼尼器、制制動器、離離合器、液液壓閥、密密封裝置置等新一一代機(jī)電電產(chǎn)品。目前,國外已已研制出出的屬于于磁流變變旋轉(zhuǎn)阻阻尼器范范疇的器器件有:美國TRRW 公公司的旋旋轉(zhuǎn)式減減震器；通用汽汽車公司司研制的的磁流變變離合器器；美國Loord 公司開開發(fā)的用用在健身身器械上上各種磁磁流變旋旋轉(zhuǎn)阻尼尼器件,波茲南南理工大大學(xué)的磁磁流變旋旋轉(zhuǎn)阻尼尼器等。上述的的磁流變變旋轉(zhuǎn)阻阻尼器基基本屬于于單片內(nèi)內(nèi)置式的的結(jié)構(gòu)。而國內(nèi)內(nèi)的磁流流

59、變液應(yīng)應(yīng)用產(chǎn)品品相對于于磁流變變液研制制以及性性能研究究,還處于于較為落落后的狀狀況。磁流變變旋轉(zhuǎn)阻阻尼器主主要依據(jù)據(jù)阻尼承承載面的的個數(shù)(單盤片片和多盤盤片) 和勵磁磁線圈與與阻尼片片的相對對位置(內(nèi)置和和外置)而劃分分。由于多多盤片的的承載面面積大于于單盤片片的承載載面積,因而穿穿過磁流流變液的的磁場強(qiáng)強(qiáng)度相同同,作多盤盤片上的的阻尼力力矩總是是比單盤盤片的大大. 但其其軸向尺尺寸的增增大,必然導(dǎo)導(dǎo)致勵磁磁線圈物物理尺寸寸和勵磁磁電流的的增大,這些對對于減小小阻尼器器的外部部尺寸、降降低勵磁磁線圈的的發(fā)熱都都是不利利的。2.3.22剪切式式磁流變變旋轉(zhuǎn)阻阻尼器的的結(jié)構(gòu)及及其工作作原理磁流變

60、應(yīng)用用器件一一般有管管道流模模式、剪剪切模式式、擠壓壓流模式式三種基基本的設(shè)設(shè)計形式式。由于于低重心心式兩輪輪車設(shè)計計使用的的是剪切切式磁流流變旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)阻尼器器因此在在這里只只對剪切切模式磁磁流變阻阻尼器的的工作原原理加以以介紹。剪切模模式是將將磁流變變液置于于可以相相對移動動的兩極極板間,由于不不同的磁磁場可以以使磁流流變液產(chǎn)產(chǎn)生不同同的剪切切屈服應(yīng)應(yīng)力,因而極極板之間間相對運(yùn)運(yùn)動所受受到的阻阻尼力就就受到了了磁場的的控制。在眾多多的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)阻尼器器中,線圈與與阻尼片片的相對對位置有有兩種形形式:一種是是阻尼片片被包裹裹在線圈圈內(nèi)即阻阻尼片內(nèi)內(nèi)置于線線圈內(nèi)腔腔中,我們稱稱這種阻阻尼器為為內(nèi)置式式