兩輪自平衡機器人的研究與設(shè)計

內(nèi)容概要

　　《“十一五”國家重點圖書出版規(guī)劃項目·21世紀(jì)先進制造技術(shù)叢書：兩輪自平衡機器人的研究與設(shè)計》講述了兩輪直立式機器人的進化歷史、基本構(gòu)造、運動原理以及應(yīng)用前景，描述了一種腰椎由彈簧和旋轉(zhuǎn)鉸鏈構(gòu)成的柔性兩輪直立式機器人系統(tǒng)，包括柔性兩輪直立式機器人的物理系統(tǒng)設(shè)計和制作、數(shù)學(xué)模型、姿態(tài)檢測方法、運動平衡控制。特別地，《“十一五”國家重點圖書出版規(guī)劃項目·21世紀(jì)先進制造技術(shù)叢書：兩輪自平衡機器人的研究與設(shè)計》構(gòu)建了柔性兩輪直立式機器人仿生的姿態(tài)“感覺一運動”系統(tǒng)，使其具有仿生的操作條件反射行為，能自主學(xué)習(xí)平衡技能，像人和動物一樣，通過操作條件反射式的學(xué)習(xí)，漸進地形成、發(fā)展和完善其運動平衡控制技能?！　”緯晒氖聶C器人學(xué)和自動控制學(xué)科的科技工作者學(xué)習(xí)或參考，也可作為本科高年級學(xué)生或研究生的教材或參考書籍。

作者簡介

阮曉鋼，男，1958年生于四川，1982年獲哈爾濱船舶工程學(xué)院工學(xué)學(xué)士學(xué)位，1989年獲浙江大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位，1992年獲浙江大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位，1992年7月至1994年6月于南京航空航天大學(xué)航空與宇航博士后流動站從事博士后科研工作，1994年7月至今效力于北京工業(yè)大學(xué)，現(xiàn)任教授及博士生導(dǎo)師。 蔡建羨，女，1978年生于河北，2001年獲河北科技大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位，2003年獲燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位，2010年獲北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位，2004年4月至今效力于防災(zāi)科技學(xué)院防災(zāi)儀器系，現(xiàn)任講師。 李欣源，男，1981年生于北京，2004年獲北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位，2010年獲北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位，2010年10月至今于清華大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)博士后流動站從事博士后科研工作。 趙建偉，男，1979年生于內(nèi)蒙古，2003年獲內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位，2006年獲內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位，2010年獲北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位，2010年12月至今于清華大學(xué)精密儀器系博士后流動站從事博士后科研工作。

書籍目錄

《2]世紀(jì)先進制造技術(shù)叢書》序
前言
第1章 概論
　1.1 兩輪平衡機器人的基本構(gòu)造和運動原理
 1.1.1 兩輪機器人的基本構(gòu)造
 1.1.2 兩輪機器人的運動原理
 1.2 兩輪機器人的成長歷史
 1.2.1 從倒立擺到平衡機器人
 1.2.2 典型的兩輪機器人系統(tǒng)
 1.2.3 兩輪機器人相關(guān)基礎(chǔ)研究
 1.3 兩輪機器人技術(shù)應(yīng)用前景
 參考文獻(xiàn)
第2章 “原人”柔性兩輪機器人
 2.1 柔性機器入學(xué)概述
 2.1.1 研究柔性機器人的目的
 2.1.2 柔性倒立擺
 2.1.3　柔性關(guān)節(jié)
 2.1.4　柔性機械臂
 2.1.5　柔性脊椎機器人
 2.2 “原人”機器人的基本特征
 2.3 “原人”機器人的機體結(jié)構(gòu)
 2.3.1 基本原理
 2.3.2　總體框架
 2.3.3　柔性腰椎
 2.4 “原人”機器人的電氣系統(tǒng)
 2.4.1 電氣系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
 2.4.2　檢測系統(tǒng)
 2.4.3 控制系統(tǒng)
　2.5 “原人”機器人的軟件系統(tǒng)
 2.5.1 軟件系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)
 2.5.2 組織級：EPC行為決策
 2.5.3 協(xié)調(diào)級：DSP運動平衡控制
 2.5.4 操作級：ISU伺服控制
 參考文獻(xiàn)
第3章 兩輪機器人的數(shù)學(xué)模型
　3.1 相關(guān)研究工作
 3.1.1 剛性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型研究
 3.1.2 柔性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型研究
　3.2 剛性兩輪機器人模型
 3.2.1 系統(tǒng)坐標(biāo)、參數(shù)和變量
 3.2.2 動力學(xué)模型
 3.2.3　運動學(xué)模型
 3.2.4 電機及其伺服機構(gòu)模型
　3.3 柔性兩輪機器人模型
 3.3.1 柔性旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與系統(tǒng)假設(shè)
 3.3.2 系統(tǒng)坐標(biāo)、參數(shù)和變量
 3.3.3　運動學(xué)模型
 3.3.4　動力學(xué)模型
　3.4 柔性兩輪機器人動力學(xué)特性分析
 3.4.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性
 3.4.2 系統(tǒng)可控性
 3.4.3 柔性腰椎剛度對動態(tài)性能的影響
 3.4.4 柔性腰椎剛度對平衡控制魯棒性的影響
　3.5 剛／柔兩輪自平衡機器人動力學(xué)模型對比分析
 參考文獻(xiàn)
第4章 兩輪機器人的姿態(tài)檢測
　4.1 姿態(tài)傳感器及其原理
 4.1.1 兩輪機器人的姿態(tài)
 4.1.2　姿態(tài)檢測元件
 4.1.3 陀螺儀
 4.1.4 姿態(tài)測量算法與Kalman濾波
第5章　兩輪機器人的PID控制
第6章　兩輪機器人的LQ調(diào)節(jié)
第7章　仿生的姿態(tài)平衡自主學(xué)習(xí)控制
第8章　映射領(lǐng)域可自主收縮的SOCA自動機
第9章　Skinner操作備件反射自動機的模糊化
附錄　中英文對照

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：   插圖：   第7章 仿生的姿態(tài)平衡自主學(xué)習(xí)控制 人或動物的諸多技能或行為是在其神經(jīng)系統(tǒng)自學(xué)習(xí)和自組織的過程中漸進地形成和發(fā)展起來的，理解和模擬人或動物神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)在的學(xué)習(xí)和組織機制，并將這種機制賦予機器，是控制科學(xué)、人工智能和機器人學(xué)研究的重要課題。操作條件反射（operant conditioning，OC）機制是人或動物神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)在的重要學(xué)習(xí)機制，人和動物的運動平衡控制技能是基于這種機制漸進地形成、發(fā)展和完善的。 因此，模擬和復(fù)制人或動物的操作條件反射機制，使機器人成為可學(xué)習(xí)和可訓(xùn)練的系統(tǒng)，能像人或動物一樣，通過學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，自組織地形成、發(fā)展和完善其運動平衡控制技能，這對于控制科學(xué)、機器人學(xué)和人工智能無疑是十分有意義的。 7.1 關(guān)于動物的操作條件反射機制 20世紀(jì)初，行為主義學(xué)派產(chǎn)生后，許多行為心理學(xué)家對人的學(xué)習(xí)行為進行了廣泛的研究，盡管學(xué)習(xí)理論使人類行為研究得到了很大的推動，但他們的理論仍停留在“刺激一反應(yīng)”這一基本模式上，并且沒有進一步考察行為的結(jié)果反過來又將對行為本身產(chǎn)生影響。 當(dāng)代美國哈佛大學(xué)著名的心理學(xué)教授Skinner作為新行為主義的代表人物，不滿足于經(jīng)典條件反射論中關(guān)于有機體行為“刺激一反應(yīng)”的解釋模式，而是把研究目的集中在行為結(jié)果對行為的影響以及行為控制的問題上。他認(rèn)為心理學(xué)研究的目的就在于找出可觀察的環(huán)境事件與可觀察的有機體行為之間的函數(shù)關(guān)系，以便找出人類個體行為的規(guī)律，并通過控制個體生存的環(huán)境條件來達(dá)到控制個體行為的目的。從這一目的出發(fā)，Skinner把有機體行為分為應(yīng)答行為和操作行為兩類。應(yīng)答行為是指由可觀察的外在刺激所激發(fā)的行為，即有機體對特定刺激的反應(yīng)，如食物入口時的唾液分泌反應(yīng)。操作行為是有機體在沒有任何可觀察的刺激情景下的自發(fā)行為。兩種行為除了是否有特定的外在刺激外，主要區(qū)別是操作行為可以對環(huán)境發(fā)生影響，而應(yīng)答行為則不能。應(yīng)答行為是被動地應(yīng)付環(huán)境，而操作行為是主動地有效地應(yīng)付環(huán)境，操作行為強調(diào)事實行為對環(huán)境發(fā)生影響并產(chǎn)生結(jié)果。

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