發(fā)布時(shí)間：2021-02-06 18:36

　　四足機(jī)器人以四足哺乳動(dòng)物為模仿對象,重點(diǎn)研究其解剖學(xué)結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)機(jī)理。隨著足式機(jī)器人的發(fā)展,為了滿足四足仿生機(jī)器人在真實(shí)環(huán)境中快速性、靈活性、機(jī)動(dòng)性的要求,急需解決動(dòng)步態(tài)的運(yùn)動(dòng)控制問題。其中最關(guān)鍵的技術(shù)就是仿生單腿的彈跳運(yùn)動(dòng)控制。單腿機(jī)器人有且僅有一種步態(tài)——彈跳步態(tài),其運(yùn)動(dòng)涵蓋了足式機(jī)器人動(dòng)步態(tài)尤其是Pronk步態(tài)中腿部發(fā)生的所有事件,包括落地緩沖、蹬地起跳、騰空擺腿等。因此在結(jié)構(gòu)相對簡單的單腿實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的彈跳運(yùn)動(dòng)控制研究為四足機(jī)器人的Pronk步態(tài)及其他動(dòng)步態(tài)的控制提供理論基礎(chǔ)和參考價(jià)值。它的性能決定了足式機(jī)器人動(dòng)步態(tài)的性能,因此本文就單腿機(jī)器人彈跳運(yùn)動(dòng)的控制方法開展研究,取得以下研究成果。（1）建立及分析了四階非線性液壓作動(dòng)器系統(tǒng)模型,采用基于反饋線性化的滑�？刂频姆椒▽�(shí)現(xiàn)了液壓作動(dòng)器的力跟蹤,通過仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)PID力控制方法進(jìn)行對比,證明了FLSM算法跟蹤精度高、實(shí)用性強(qiáng)。（2）從能量的觀點(diǎn)出發(fā),設(shè)計(jì)了基于動(dòng)量守恒的單腿機(jī)器人彈跳運(yùn)動(dòng)控制方法,采用了基于足底力傳感器和系統(tǒng)時(shí)間構(gòu)建的有限狀態(tài)機(jī),最后在仿真和實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了雙關(guān)節(jié)單腿機(jī)器人豎直方向上的彈跳運(yùn)動(dòng),驗(yàn)證了本文關(guān)于足式機(jī)器... 

【文章來源】：國防科技大學(xué)湖南省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：65 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

不同階段的BigDog四足機(jī)器人如圖1.2左所示，波士頓動(dòng)力公司研制的Cheetah[8]四足機(jī)器人是眼下世界上

國防科技大學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文第2頁的周期回歸性，提出了基于動(dòng)量守恒彈跳運(yùn)動(dòng)控制方法，以動(dòng)量為約束使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的彈跳。單腿機(jī)器人的彈跳運(yùn)動(dòng)包含了足式機(jī)器人動(dòng)步態(tài)特別是Pronk步態(tài)運(yùn)動(dòng)中腿部運(yùn)動(dòng)的所有事件，包括落地緩沖、蹬地助推起跳、騰空收（擺）腿等。因此在單腿實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的彈跳運(yùn)動(dòng)研究為四足機(jī)器人的Pronk步態(tài)及其他動(dòng)步態(tài)的控制提供理論基礎(chǔ)和參考價(jià)值。1.2課題研究現(xiàn)狀1.2.1四足機(jī)器人研究現(xiàn)狀從2004開始，在美國國防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局（DAPRA）的支持下，波士頓動(dòng)力在四足移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域取得了一個(gè)又一個(gè)令人折服的研究成果，研制了如BigDog、LittleDog、AlphaDog、LS3、Cheetah、WildCat、Spot和SpotMini等一批高動(dòng)態(tài)仿生四足機(jī)器人。如圖1.1所示，BigDog[5,6,7]長0.91米，高0.76米，重110千克，和騾子差不多大校能夠負(fù)載150千克以6.4公里每小時(shí)在叢林、雪地、荒漠等復(fù)雜地形下自主運(yùn)動(dòng)。圖1.1不同階段的BigDog四足機(jī)器人如圖1.2左所示，波士頓動(dòng)力公司研制的Cheetah[8]四足機(jī)器人是眼下世界上運(yùn)動(dòng)最快的足式機(jī)器人，仿照獵豹的生物機(jī)構(gòu)，在其背部安裝有可旋轉(zhuǎn)柔性脊椎，以至于在奔跑的過程中增加單步步幅和運(yùn)動(dòng)速度。在實(shí)驗(yàn)室運(yùn)動(dòng)測試速度達(dá)到46公里每小時(shí)，WildCat是Cheetah的室外版本，如圖1.2右所示，在2013年室外測試時(shí)實(shí)現(xiàn)了bounding、galloping高速穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。圖1.2Cheetah（左）和WildCat（右）四足機(jī)器人如圖1.3所示。2015年，波士頓動(dòng)力公司發(fā)布電機(jī)和液壓混合驅(qū)動(dòng)的spot四

國防科技大學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文第3頁足機(jī)器人，如圖1.3左，頭部裝有激光雷達(dá)，用于環(huán)境感知、建模和導(dǎo)航。Spot具有極高的靈活運(yùn)動(dòng)能力，能夠在室內(nèi)運(yùn)動(dòng)自如，可以抓取器物以及開門。2016年1月，波士頓動(dòng)力又發(fā)布出新版本的Spot四足機(jī)器人SpotMini如圖1.3中所示，帶有機(jī)械臂，可實(shí)現(xiàn)開關(guān)門以及物品的拾取；在2018年Spot家族再一次更新，退出SpotMini2018，如圖。1.3右所示。為完全電機(jī)驅(qū)動(dòng)并在本體裝有機(jī)械臂，可以完成物品的穩(wěn)定抓取，被稱為“最安靜的機(jī)器人”。該設(shè)備重量為30，可持續(xù)運(yùn)動(dòng)90分鐘。圖1.3Spot系列四足機(jī)器人意大利理工（Dept.ofAdvancedTecnologia）自2008年以來，已經(jīng)研制出三代HYQ機(jī)器人，如圖1.4所示。HYQ[9,10,11]是2010年由Semini設(shè)計(jì)的一款液壓驅(qū)動(dòng)四足機(jī)器人，重80千克，約1米長。每條腿有三個(gè)液壓驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，靠高性能伺服閥控制關(guān)節(jié)角度和關(guān)節(jié)力，本體裝有攝像機(jī)和雷達(dá)來進(jìn)行環(huán)境的三維建模。該機(jī)器人在測試中針對不同的地形使用crawl、walk、trot多種步態(tài)，展現(xiàn)出較高的運(yùn)動(dòng)性能。圖1.4HYQ系列四足機(jī)器人如圖1.5所示，麻省理工學(xué)院仿生機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室從2011年開展仿生四足機(jī)器人研究以來，至今已研制了三代電機(jī)驅(qū)動(dòng)的四足機(jī)器人MITCheetah[12,13,14]。MITCheetahV2[15,16]是第一代四足機(jī)器人的繼承版，如圖1.5中所示，該機(jī)器人外形仿照獵豹設(shè)計(jì)，具有脊柱關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，其核心是一個(gè)自產(chǎn)的高力矩輸出驅(qū)動(dòng)電機(jī)。室內(nèi)試驗(yàn)表明，CheetahV2能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)23公里每小時(shí)的跳躍步態(tài)奔跑速度，并能夠自主跳躍40厘米高的障礙（其腿長的80%）而持續(xù)奔跑。CheetahV3具有可以變形的膝關(guān)節(jié)，如圖1.5右所示，配有亞馬遜研發(fā)的ECHO智能音箱，可根據(jù)語音指示完成動(dòng)作。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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博士論文
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碩士論文
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本文編號：3020906