两轮机器人是根据倒立摆的平衡原理而产生的一种自平衡机器人,它不仅具有自平衡机器人的结构性与仿生性特点,同时其轮式结构设计又兼具轮式机器人的移动便捷与功能实用的优点。两轮机器人可近似理解为一个两轮移动倒立摆,它完全符合倒立摆系统的非线性、不稳定以及欠驱动的特点,其复杂的运动学与动力学特性以及广泛的实际应用使得两轮机器人在近年来成为控制领域的研究热点,其数学模型的建立和以及不同运动形态的控制方法是机器人学以及控制论领域研究的重要内容,同时对它的研究不仅具有特殊的科学研究意义,而且有着广泛的实际应用前景。本文基于两轮机器人整体系统结构,建立了相应的数学模型和三维仿真模型,在系统动力学特性分析的基础上,对其运动控制方法进行了研究,取得了以下主要研究成果:第一、系统动力学建模以及基于数学模型和三维模型的联合仿真分析本文基于两轮机器人的整体系统结构,将两轮机器人抽象为左轮、右轮和主车身组成的刚体系统,在合理的模型假设下,用拉格朗日方程法建立了两轮机器人的动力学模型。为了对机器人动力学模型进一步的分析和验证,本文建立了两轮机器人的三维立体模型,并基于数字模拟和三维模拟进行了联合仿真实验,分析了两轮机器人的动力学特性,最后进行了两轮机器人系统的稳定性和可控性分析。第二、基于立方函数PID控制器的运动平衡控制方法本文提出了基于立方函数PID控制器的两轮机器人运动平衡控制方法。立方函数PID控制器的设计思想是根据两轮机器人的动力学特性以及被控对象在不同状态下响应曲线的数学分析,将立方函数的数学特性引入到姿态平衡控制器和运行速度控制器中,分别以机身倾角误差和机器人运行速度误差作为控制器的输入,实现对两轮机器人倾角和速度的有效控制。通过和其他控制方法的对比实验表明:针对姿态平衡控制问题,该控制方法能有效地增大机器人起摆角范围,有更强的抗干扰能力,同时具有响应速度快及消除平衡点附近振荡的特性,大大降低了系统能耗;针对运行速度控制问题,该控制方法能有效消除机器人加减速时刻引起的机身振荡现象,使机器人更平滑的改变运行速度,同时实现机器人在斜坡上的平稳运行,并具有大范围的稳定性和鲁棒性。第三、基于双闭环速度差动控制器的偏航运动控制方法针对两轮机器人的机械结构特点,本文设计了基于双闭环速度差动控制器的偏航运动控制方法,该方法首先通过速度闭环回路,将系统运动执行单元的输出量由左右轮扭矩变为左右轮速度,再根据预先标定的左右轮速度差动值τ和机器人转弯半径r的对应关系,实现对机器人偏航运动的精确控制。实验结果表明,该控制方法有效补偿了系统机械误差引起的左右轮转速不等现象,极大的提高了机器人偏航运动的控制精度,适应于更复杂的路面环境,具有更好的稳定性和鲁棒性,机器人在UMBmark实验,走“8”字运动过程中,均能达到期望的控制目标。第四、基于视觉图像的机器人运动行为控制方法本文基于体感设备Kinect的视觉功能,对操作者的手势动作进行采集,利用DTW算法进行当前操作者手势动作和模板库中预标定手势进行匹配识别,通过手势识别结果控制两轮机器人按正确的指令运行,实验证明,该方法能有效的控制机器人在复杂的光照环境下按要求运行,识别效果符合控制要求,能够实现操作者的自然手势对两轮机器人运动行为控制,并具有良好的鲁棒性和实用性。