针对目前球形机器人的完整动力学模型不能应用现有的非线性控制方法的问题,通过合理的抽象和简化,采用拉格朗日法选取适当的广义坐标,推导出一种完整的三维动力学模型,并将其转化为二阶非线性微分方程,相较其他的动力学模型降低了复杂度,为基于动力学模型的控制策略研究提供基础。同时针对该模型采用一种并联PID控制方法,在Simulink仿真实验中证明在此动力学模型基础上该控制策略能实现机器人的平衡控制与运动控制,并具有较好的响应特性和稳定性。

针对一种非完整约束的典型欠驱动系统对象球形机器人,计算系统二阶非线性微分方程形式的动力学模型并验证其正确性,为非线性控制器的设计与研究提供基础。设计一种并联非线性PID控制方法,该方法将球形机器人系统看做两个单输入系统的组合,并针对每个单输入系统设计并联非线性PID控制器。在Simulink仿真实验中,证明了该控制策略能够实现机器人在平衡点附近的平衡控制与运动控制,同时在存在外界干扰情况下该控制器仍具有较好的响应特性和稳定性。

针对钕铁硼永磁体在加工制作微型结构时成型困难且易脆的问题,采用磁流变液作为微型磁控机器人的驱动材料,设计一种用于人体胃部靶向送药的球形磁控机器人。根据磁流变液的流变机理,分析磁性颗粒在磁场中的力学关系,建立球形磁控机器人的动力学模型并进行仿真分析。搭建机器人运动图像获取系统,并利用霍夫变换圆检测算法计算该机器人的位移。最后,制作机器人样机并在具有空间磁场的实验平台中进行运动测试。结果表明,基于磁流变液的球形磁控机器人易于控制并且运动稳定、可靠。

摆式球形水下机器人利用内部俯仰摆与中心螺旋桨相互配合可实现机器人在水中的上升和下潜运动,但是俯仰摆的频繁摆动会引起机器人速度波动,降低了系统稳定性。针对该种机器人俯仰驱动特点,提出了一种两级滑模方法来同时控制机器人俯仰角和俯仰摆的摆动角,引入RBF神经网络对干扰项进行自适应补偿。在理论上证明了设计的控制器是稳定的,仿真和实验结果也表明提出的控制方法可以实现机器人俯仰角的快速控制,并且能够对俯仰摆的频繁摆动进行有效抑制,提高了该种机器人水中运动的稳定性。