This paper presents the design and control of a ballbot drivetrain that aims to achieve high agility, minimal footprint, and high payload capacity while maintaining dynamic stability. Two hardware platforms and analytical models were developed to test design and control methodologies. The full-scale ballbot prototype (MiaPURE) was constructed using off-the-shelf components and designed to have agility, footprint, and balance similar to that of a walking human. The planar inverted pendulum testbed (PIPTB) was developed as a reduced-order testbed for quick validation of system performance. We then proposed a simple yet robust LQR-PI controller to balance and maneuver the ballbot drivetrain with a heavy payload. This is crucial because the drivetrain is often subject to high stiction due to elastomeric components in the torque transmission system. This controller was first tested in the PIPTB to compare with traditional LQR and cascaded PI-PD controllers, and then implemented in the ballbot drivetrain. The MiaPURE drivetrain was able to carry a payload of 60 kg, achieve a maximum speed of 2.3 m/s, and come to a stop from a speed of 1.4 m/s in 2 seconds in a selected translation direction. Finally, we demonstrated the omnidirectional movement of the ballbot drivetrain in an indoor environment as a payload-carrying robot and a human-riding mobility device. Our experiments demonstrated the feasibility of using the ballbot drivetrain as a universal mobility platform with agile movements, minimal footprint, and high payload capacity using our proposed design and control methodologies.


翻译:本文介绍了一种可在保持动态稳定性的同时实现高灵活性、最小占地面积和高负载能力的球驱机器人传动系统设计与控制。我们开发了两个硬件平台及分析模型以验证设计与控制方法。全尺寸球驱机器人原型(MiaPURE)采用商用组件构建,其灵活性、占地面积和平衡能力与步行人类相当。我们开发了平面倒立摆试验台(PIPTB)作为降阶测试平台,用于快速验证系统性能。随后提出了一种简单而鲁棒的LQR-PI控制器,用于在重负载下平衡并操控球驱机器人传动系统。该控制器至关重要,因为传动系统常因扭矩传输系统中的弹性元件而存在高静摩擦力。该控制器首先在PIPTB上与传统LQR及级联PI-PD控制器进行对比测试,随后在球驱机器人传动系统中实现。MiaPURE传动系统能够承载60千克负载,沿选定平移方向达到2.3米/秒的最大速度,并能从1.4米/秒的速度在2秒内停止。最后,我们演示了球驱机器人传动系统在室内环境中作为载物机器人和人类骑行移动设备的全向运动能力。实验结果表明,采用我们提出的设计与控制方法,可将球驱机器人传动系统用作兼具灵活运动、最小占地面积和高负载能力的通用移动平台。

0
下载
关闭预览

相关内容

【2022新书】Python数据分析第三版,579页pdf
专知会员服务
257+阅读 · 2022年8月31日
《行为与认知机器人学》,241页pdf
专知会员服务
55+阅读 · 2021年4月11日
Linux导论,Introduction to Linux,96页ppt
专知会员服务
82+阅读 · 2020年7月26日
[综述]深度学习下的场景文本检测与识别
专知会员服务
78+阅读 · 2019年10月10日
代码重构:面向单元测试
阿里技术
0+阅读 · 2022年7月29日
开发容器:可重用的开发环境
InfoQ
0+阅读 · 2022年7月8日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
【泡泡一分钟】DS-SLAM: 动态环境下的语义视觉SLAM
泡泡机器人SLAM
23+阅读 · 2019年1月18日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
【泡泡一分钟】RoomNet:端到端房屋布局估计
泡泡机器人SLAM
18+阅读 · 2018年12月4日
【推荐】自然语言处理(NLP)指南
机器学习研究会
35+阅读 · 2017年11月17日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
5+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
5+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2008年12月31日
Arxiv
12+阅读 · 2021年8月19日
VIP会员
最新内容
面向2027年及未来的海军情报改革
专知会员服务
3+阅读 · 8月5日
《无人机蜂群:释放人类-蜂群编队的潜能》
专知会员服务
6+阅读 · 8月5日
《战略战术化:一项综合性述评》
专知会员服务
5+阅读 · 8月5日
相关资讯
代码重构:面向单元测试
阿里技术
0+阅读 · 2022年7月29日
开发容器:可重用的开发环境
InfoQ
0+阅读 · 2022年7月8日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
【泡泡一分钟】DS-SLAM: 动态环境下的语义视觉SLAM
泡泡机器人SLAM
23+阅读 · 2019年1月18日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
【泡泡一分钟】RoomNet:端到端房屋布局估计
泡泡机器人SLAM
18+阅读 · 2018年12月4日
【推荐】自然语言处理(NLP)指南
机器学习研究会
35+阅读 · 2017年11月17日
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
5+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
5+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2008年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员