本文關(guān)鍵詞：仿袋鼠機(jī)器人站立姿態(tài)平衡控制研究

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【摘要】：跳躍機(jī)器人憑借其移動(dòng)方式的優(yōu)勢(shì)可以在一些不連續(xù)的地貌上移動(dòng),如:溝壑、河流,其地形適應(yīng)能力相比輪式、履帶式等機(jī)器人有了極大的提高,可以更好的應(yīng)用于搶險(xiǎn)救災(zāi)、惡劣環(huán)境的軍事偵察等方面。本文設(shè)計(jì)了一種仿袋鼠機(jī)器人,并對(duì)其站立姿態(tài)的平衡控制進(jìn)行了研究,主要成果如下:1)仿袋鼠機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過(guò)研究袋鼠的生理結(jié)構(gòu)特性,仿照袋鼠外形,設(shè)計(jì)了仿袋鼠機(jī)器人系統(tǒng)。腿部采用平行四邊形結(jié)構(gòu)結(jié)合驅(qū)動(dòng)彈簧的設(shè)計(jì)方法,模擬了袋鼠腿部肌腱作用,完成機(jī)器人的跳躍功能。尾巴采用鏤空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),通過(guò)控制其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)平衡控制。設(shè)計(jì)了基于STM32的仿袋鼠機(jī)器人電控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人姿態(tài)數(shù)據(jù)的采集與處理、跳躍機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)控制以及上位機(jī)系統(tǒng)顯示等功能。2)仿袋鼠機(jī)器人站立姿態(tài)動(dòng)力學(xué)建模針對(duì)仿袋鼠機(jī)器人兩腿同軸連接同步運(yùn)動(dòng)且關(guān)于身體中正面對(duì)稱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),將機(jī)器人弧形腳與地面的接觸點(diǎn)看作是固定鉸鏈,處于地面站立狀態(tài)的機(jī)器人機(jī)構(gòu)就簡(jiǎn)化為一個(gè)平面機(jī)構(gòu)的多剛體機(jī)構(gòu)模型。使用拉格朗日(Lagrange)方程法對(duì)該剛性模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析并進(jìn)行線性化處理,建立了站立姿態(tài)的仿袋鼠機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型。3)基于LQR和HPSO的仿袋鼠機(jī)器人站立平衡控制根據(jù)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型設(shè)計(jì)了LQR二次型控制器,并針對(duì)人工整定LQR權(quán)值矩陣存在效率較低、準(zhǔn)確度不高等問(wèn)題,使用混合粒子群算法(HPSO)對(duì)LQR控制器的權(quán)值矩陣進(jìn)行優(yōu)化。最后使用優(yōu)化后的線性二次型控制器對(duì)仿袋鼠機(jī)器人站立平衡控制進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,采用HPSO優(yōu)化的LQR控制器可以提高系統(tǒng)的站立平衡的控制性能。4)仿袋鼠機(jī)器人站立平衡的自適應(yīng)滑�？刂茷榻鉀Q仿袋鼠機(jī)器人站立平衡中由于外部干擾等不確定因素而造成的理論分析與實(shí)際的控制系統(tǒng)模型不一致的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種基于自適應(yīng)指數(shù)趨近律的滑�？刂破�。將自適應(yīng)原理應(yīng)用于滑模控制器的趨近律設(shè)計(jì),改進(jìn)傳統(tǒng)的指數(shù)趨近律,使系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)在遠(yuǎn)離切換面時(shí)具有較快的趨近速度,并減小了機(jī)器人控制系統(tǒng)的抖振現(xiàn)象,仿真實(shí)驗(yàn)證明基于自適應(yīng)指數(shù)趨近律的滑�？刂破骶哂休^好的控制效果。
【關(guān)鍵詞】：仿袋鼠機(jī)器人 拉格朗日建模 LQR 混合粒子群算法 自適應(yīng)滑�？刂�
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP242
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 緒論10-20
• 1.1 課題背景及研究意義10-11
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀11-17
• 1.2.1 一般跳躍機(jī)器人研究現(xiàn)狀11-14
• 1.2.2 仿生跳躍機(jī)器人研究現(xiàn)狀14-17
• 1.3 研究?jī)?nèi)容與結(jié)構(gòu)17-20
• 第2章 仿袋鼠機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)20-32
• 2.1 引言20
• 2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)20-23
• 2.2.1 腿部結(jié)構(gòu)21-22
• 2.2.2 尾巴結(jié)構(gòu)22-23
• 2.3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)23-27
• 2.3.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)25-26
• 2.3.2 姿態(tài)采集26-27
• 2.3.3 尾巴轉(zhuǎn)角檢測(cè)27
• 2.4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)27-30
• 2.4.1 姿態(tài)信息處理29
• 2.4.2 上位機(jī)顯示29-30
• 2.5 本章小結(jié)30-32
• 第3章 仿袋鼠機(jī)器人站立姿態(tài)動(dòng)力學(xué)建模32-42
• 3.1 引言32
• 3.2 機(jī)器人站立姿態(tài)多剛體機(jī)構(gòu)模型簡(jiǎn)化32-34
• 3.3 機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模34-39
• 3.3.1 建模方法選取34-35
• 3.3.2 動(dòng)力學(xué)建模35-39
• 3.4 可控可觀性分析39-40
• 3.5 本章小結(jié)40-42
• 第4章 基于LQR和HPSO的仿袋鼠機(jī)器人站立平衡控制42-54
• 4.1 引言42-43
• 4.2 LQR控制器設(shè)計(jì)43-46
• 4.3 混合粒子群算法優(yōu)化LQR控制器46-52
• 4.3.1 混合粒子群算法46-47
• 4.3.2 混合粒子群算法優(yōu)化LQR權(quán)重矩陣47-49
• 4.3.3 仿真實(shí)驗(yàn)49-52
• 4.4 本章小結(jié)52-54
• 第5章 仿袋鼠機(jī)器人站立平衡的自適應(yīng)滑�？刂�54-72
• 5.1 引言54
• 5.2 站立平衡的滑模控制54-61
• 5.2.1 滑�？刂破髟O(shè)計(jì)56
• 5.2.2 滑模控制實(shí)驗(yàn)56-59
• 5.2.3 滑模控制的抖振分析59-61
• 5.3 自適應(yīng)滑�？刂破髟O(shè)計(jì)61-71
• 5.3.1 自適應(yīng)指數(shù)趨近律設(shè)計(jì)61-64
• 5.3.2 仿真實(shí)驗(yàn)64-71
• 5.4 本章小結(jié)71-72
• 結(jié)論72-74
• 參考文獻(xiàn)74-78
• 攻讀碩士學(xué)位期間取得的研究成果78-80
• 致謝80

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本文編號(hào)：592909