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:本文提出了一个Ballbot齿轮传动系统的设计与控制方案,目标是实现高敏捷性、小占地面积和高载荷能力,同时保持动态稳定。我们开发了两个硬件平台和分析模型来测试设计和控制方法。采用现成的组件构建了全尺寸的Ballbot原型,名为MiaPURE,旨在具有类似于行走人类的敏捷性、占地面积、平衡能力。还开发了平面倒立摆试验台,作为简化的测试平台,用于快速验证系统性能。我们提出了一种简单而强大的LQR-PI控制器,以平衡和操纵Ballbot齿轮传动系统带有重载的状态。这是至关重要的,因为齿轮传动系统中的弹性组件往往会受到高摩擦力的影响。此控制器首先在平面倒立摆试验台上进行了测试,与传统的LQR和级联PI-PD控制器进行了比较,然后在Ballbot齿轮传动系统中实施。MiaPURE驱动系统能够承载60公斤的载荷,在选定的转移方向上实现最大速度2.3m/s,从速度为1.4m/s的状态停下来需要2秒。最后,我们展示了Ballbot齿轮传动系统在室内环境中的全向移动,作为一种载荷搬运和人类交通工具。我们的实验证明,采用我们提出的设计和控制方法,Ballbot齿轮传动系统作为一种具有敏捷运动、小占地面积和高载荷能力的通用移动平台是可行的。

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