基于氣動(dòng)人工肌肉的雙足步行機(jī)器人設(shè)計(jì)及控制策略研究.pdf

1、上世紀(jì)60年代開始，雙足機(jī)器人開始被各國學(xué)者重視并取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。由于主動(dòng)機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)都要進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因此驅(qū)動(dòng)器的選擇至關(guān)重要，以往的主動(dòng)機(jī)器人大多以電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，雖然位置控制精確，但是步行卻與人類步態(tài)相差甚遠(yuǎn)；而氣動(dòng)肌肉具有柔順、功率/質(zhì)量比大和力/長度特性與人類肌肉相似等特點(diǎn)，因此本課題采用其作為驅(qū)動(dòng)器。為深入研究氣動(dòng)雙足機(jī)器人的特性，提高其步行穩(wěn)定性，本文參照人體下肢骨骼-肌肉模型設(shè)計(jì)了本課題的氣動(dòng)雙足機(jī)器人，基于零力矩點(diǎn)法

2、對(duì)該機(jī)器人進(jìn)行步行軌跡規(guī)劃，采用PID與模糊控制相結(jié)合的方法進(jìn)行機(jī)器人的控制，最后研制機(jī)器人樣機(jī)對(duì)所設(shè)計(jì)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)的合理性與步行穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證。
　　本文首先對(duì)人體下肢肌肉的驅(qū)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行研究。根據(jù)現(xiàn)有的人體下肢九肌肉模型，并結(jié)合人體動(dòng)力學(xué)仿真軟件 LifeMOD對(duì)人體步行的仿真結(jié)果得出各下肢肌肉的力曲線與各關(guān)節(jié)的角度曲線，并在對(duì)人體下肢骨骼-肌肉模型充分研究的基礎(chǔ)之上完成了本課題雙足機(jī)器人的設(shè)計(jì)。其次，對(duì)氣動(dòng)肌肉的動(dòng)態(tài)特性、靜態(tài)

3、特性和剛度特性進(jìn)行研究。本文基于機(jī)器人尺寸參數(shù)進(jìn)行氣動(dòng)肌肉的選型，并從理論與實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面對(duì)氣動(dòng)肌肉的特性進(jìn)行闡述。第三，對(duì)機(jī)器人的控制策略進(jìn)行研究。根據(jù)ZMP法進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃，得出各關(guān)節(jié)期望角度與期望ZMP點(diǎn)，利用PID控制器進(jìn)行關(guān)節(jié)角的控制，并利用模糊控制器對(duì)踝關(guān)節(jié)角度進(jìn)行控制，通過此雙閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人的步行進(jìn)行控制。最后，研制機(jī)器人樣機(jī)，利用本文提出的控制方法對(duì)其進(jìn)行步行控制，并實(shí)時(shí)采集其ZMP點(diǎn)位置和各關(guān)節(jié)角度，2D步行實(shí)驗(yàn)證明