近日，嵌入式软件研究室开发出一种基于状态反馈控制算法的立方体机器人高精度平衡控制系统，首次实现了立方体机器人在单点支撑条件下的稳定自主平衡，相关研究成果“Research on Balance Control of Cube Robot under Single-point Support”发表于国内核心学术期刊。

目前，立方体机器人作为三维飞轮倒立摆的典型代表，具有强非线性、不稳定和强耦合等多输入多输出系统特性，其平衡控制一直是机器人控制领域的研究难点。传统研究多集中于以棱边或面为支撑的稳定构型，而对于单点支撑这一极具挑战性的不稳定平衡点，其动力学建模更为复杂，对控制系统的响应速度、精度和鲁棒性提出了极高的要求。

针对以上问题，研究团队提出一种创新的平衡控制框架。首先，团队设计出立方体机器人机械结构，并建立其以单点支撑时的精确动力学模型。该模型清晰地描述立方体偏转角、重力矩与飞轮惯性力矩之间的关系。其次，基于该模型，团队设计出一种状态反馈平衡控制器。通过将系统极点配置在稳定区域，该控制器能够实时计算并输出最优控制量，驱动三个正交安装的飞轮产生精确的惯性反力矩。在此基础上，团队充分利用立方体结构特点，设计以姿态角和飞轮角速度为状态变量的控制律，有效提升系统在不同初始扰动下的恢复能力与稳态精度。

仿真分析与实物实验结果表明，该平衡控制系统具备出色的性能。在多种初始偏转角度和角速度条件下，系统均能在约0.6秒内快速响应并恢复至平衡位置，稳态误差趋近于零。即便存在摩擦力和空气阻力等干扰，实物样机也能保持稳定平衡，验证了所提出的动力学模型、控制算法以及系统设计的有效性与实用性。

该研究成果为不稳定构型机器人的平衡控制提供了新的解决方案，在特种机器人、空间探测设备及动态稳定平台等领域具有重要的应用前景。

图（上）平衡控制系统框图

（下）平衡控制响应曲线

智能机器人研究院嵌入式软件研究室汪飞飞为论文第一作者，兰斌研究员为论文通讯作者。

论文链接：立方体机器人单点支撑下的平衡控制研究 - 中国知网