液壓驅(qū)動單腿跳躍機器人控制系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著多足機器人研究的不斷深入，多足機器人研究領(lǐng)域?qū)⒍嘧銠C器人的研究聚焦于四類研究方向:一類是具備大負載運輸能力，且可進入輪式車輛不能到達地形的多足機器人研究;一類是具有快速、高效和全地形適應(yīng)能力的多足機器人，機器人在復雜崎嶇地形條件下也具有較高的適應(yīng)能力;一類是基于仿生學的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計研發(fā)具備快速奔跑能力的機器人，提高多足機器人奔跑速度;一類是具備多種步態(tài)運動能力的多足機器人，特別是地面適應(yīng)能力強的動態(tài)步態(tài)。上述四類機器人研究方向都涉及

2、足式機器人最核心的共性研究——足式機器人動態(tài)步態(tài)研究，而單腿跳躍機器人只有一種步態(tài)，即動態(tài)跳躍步態(tài)，同時它結(jié)構(gòu)相對簡單，易于控制與操作，是進行足式機器人動態(tài)步態(tài)研究的理想平臺。
　　單腿跳躍機器人的跳躍運動與多足機器人動態(tài)步態(tài)運動的單腿運動過程一致，周期性得在空中相和著地相交替變換，涵蓋跳躍步態(tài)運動中的單腿運動過程的所有事件，跳躍過程中與環(huán)境進行動態(tài)交互，發(fā)生接觸、摩擦、碰撞等。本論文系統(tǒng)性得開展單腿跳躍機器人控制系統(tǒng)研究，包括單

3、腿跳躍機器人運動學、動力學、接觸模型，機器人測控系統(tǒng)，機器人豎直跳躍控制，柔順著地等，通過仿真和實驗兩種途徑對提出的控制方法和理論研究進行論證，為后續(xù)多足機器人動態(tài)步態(tài)研究提供基礎(chǔ)研究支撐。
　　本論文由七部分組成:
　　第1章介紹了課題研究的背景和意義，在大量文獻檢索的基礎(chǔ)上綜述了國內(nèi)外單腿跳躍機器人發(fā)展概況，解析了單腿跳躍機器人研究的3條路線。從伸縮腿型單腿跳躍控制、關(guān)節(jié)型單腿跳躍控制以及足式跳躍柔順著地控制三個方面介紹

4、了國內(nèi)外單腿跳躍機器人跳躍控制研究概況，分析了國內(nèi)外的相關(guān)研究熱點和難點。以為多足機器人動態(tài)步態(tài)運動研究提供基礎(chǔ)研究支撐為出發(fā)點，提出了本課題的相關(guān)研究內(nèi)容，構(gòu)成了液壓驅(qū)動單腿跳躍機器人系統(tǒng)性研究的總體框架。
　　第2章針對液壓驅(qū)動單腿跳躍機器人本體設(shè)計，提出了從仿生學的兩個方面對單腿跳躍機器人展開仿生學設(shè)計研究的思路，研究分析大型犬后腿的骨骼結(jié)構(gòu)及關(guān)節(jié)角度為單腿跳躍機器人的連桿長度與布置提供設(shè)計依據(jù);研究分析大型犬的跳躍步態(tài)在著

5、地相時的關(guān)節(jié)角度變化以及足端在著地相時期所受地面反力的大小，為單腿跳躍機器人液壓執(zhí)行器參數(shù)設(shè)計提供依據(jù)?；谠O(shè)計參數(shù)運用SolidWorks軟件完成虛擬樣機設(shè)計，得到質(zhì)量屬性參數(shù)，在Matlab/Simulink軟件中實現(xiàn)機器人動態(tài)跳躍仿真，驗證單腿機械結(jié)構(gòu)和液壓執(zhí)行器設(shè)計參數(shù)的可行性，同時確定液壓系統(tǒng)參數(shù)，為液壓系統(tǒng)設(shè)計提供參考。
　　設(shè)計的液壓驅(qū)動單腿跳躍機器人包含2個主動自由度，分別為髖關(guān)節(jié)矢狀面內(nèi)的伸展和收縮自由度以及膝關(guān)

6、節(jié)矢狀面內(nèi)的伸展和收縮自由度，單腿跳躍機器人上下腿長度為0.35m、髖關(guān)節(jié)角度范圍為[-50°，70°]，膝關(guān)節(jié)角度范圍為[-140°，-20°];液壓缸活塞直徑為0.02m、活塞桿直徑為0.01 m，活塞桿行程為0.1m;液壓系統(tǒng)壓力16 MPa下系統(tǒng)平均流量為5.6×10-5 m3/s。
　　根據(jù)設(shè)計參數(shù)最終完成液壓驅(qū)動單腿跳躍機器人平臺的設(shè)計，包含單腿跳躍機器人本體、液壓系統(tǒng)以及測控系統(tǒng)。
　　第3章理解并分析跳躍機理

7、的基礎(chǔ)上建立單腿跳躍機器人豎直跳躍的動力學模型以及機器人關(guān)節(jié)液壓執(zhí)行器非線性動力學模型，建立足端與環(huán)境接觸的軟接觸模型和硬接觸模型，得到兩種模型下地面對足端的作用力;采用單腿足端位置過0和地面對足端作用力過0兩種方法給出機器人跳躍起跳和著地條件。在Matlab/Simulink仿真軟件中整合單腿跳躍機器人動力學模型、液壓執(zhí)行器動力學模型、足端與環(huán)境接觸的接觸模型以及機器人控制模塊4個模塊，形成單腿跳躍機器人豎直跳躍動態(tài)仿真平臺。

8、　　第4章基于著地相運動規(guī)劃實現(xiàn)液壓驅(qū)動單腿跳躍機器人豎直跳躍控制，擴展了單腿跳躍機器人豎直跳躍著地相運動規(guī)劃方法，分析了SLIP模型、質(zhì)量—彈簧—阻尼模型、質(zhì)心正弦豎直跳躍并求解其動力學微分方程得到質(zhì)心運動軌跡，笛卡爾空間下將單腿機器人豎直跳躍髖部的運動軌跡分別映射到SLIP模型、質(zhì)心正弦運動模型質(zhì)心彈跳的運動軌跡;關(guān)節(jié)空間下對機器人單腿關(guān)節(jié)基于正弦函數(shù)運動規(guī)劃實現(xiàn)機器人豎直跳躍。空中相和著地相分別采用PID控制器和PD控制器對機器人

9、關(guān)節(jié)運動進行跟蹤控制，在單腿跳躍機器人動態(tài)跳躍仿真平臺以及跳躍機器人平臺上實現(xiàn)了機器人持續(xù)穩(wěn)定的跳躍。
　　第5章針對液壓驅(qū)動單腿跳躍機器人柔順著地，緩解液壓驅(qū)動單腿跳躍機器人著地瞬間足端沖擊對機器人系統(tǒng)及運動控制的影響，提出了2種解決方案:第1種通過設(shè)計液壓驅(qū)動單腿機器人執(zhí)行器單元的阻尼孔以緩節(jié)機器人足端受到著地沖擊時在液壓缸無桿腔形成的液壓沖擊，實現(xiàn)機器人柔順著地的目的;第2種基于空中相關(guān)節(jié)運動規(guī)劃的機器人柔順著地控制，從機器

10、人足端著地瞬間的動力學著手分析足式機器人柔順著地條件，通過機器人空中相關(guān)節(jié)運動規(guī)劃實現(xiàn)機器人柔順著地。
　　實驗結(jié)果表明液壓驅(qū)動單腿機器人執(zhí)行器單元增加阻尼孔后機器人著地瞬間液壓沖擊緩解效果明顯，相同阻尼孔直徑下，機器人從同一高度無初速度自由下落，采用主動柔順控制策略機器人足端著地瞬間足端沖擊比關(guān)節(jié)位置控制策略小?；诳罩邢嚓P(guān)節(jié)運動規(guī)劃的機器人柔順著地控制方法，結(jié)合第一種柔順控制方法，液壓驅(qū)動單腿機器人執(zhí)行器單元含有直徑為1mm的

11、阻尼孔，單腿跳躍機器人豎直跳躍實驗表明采用柔順著地控制后機器人著地瞬間液壓缸無桿腔壓力從6 MPa減小為5 MPa，緩解壓力沖擊效果明顯。
　　第6章基于主動柔順控制進行液壓驅(qū)動單腿跳躍機器人跳躍控制，主動柔順控制策略是一種典型串級控制結(jié)構(gòu)，外環(huán)根據(jù)機器人的相態(tài)可采用不同的柔順控制策略，內(nèi)環(huán)采用力控制策略，包括液壓力控制和負載力控制。著地相采用虛擬模型控制，從液壓執(zhí)行器非線性動力學模型著手分別推導得到液壓力跟蹤和負載力跟蹤控制方式