【摘要】：作為陸地上進化完善、富有特色的生物種群,四足哺乳動物在運動屬性方面有著高動力性、高適應性、高穩(wěn)定性、高負載能力等眾多優(yōu)點,它們幾乎可以到達地球陸地上的任何區(qū)域。四足哺乳動物優(yōu)異的運動屬性使越來越多的科學工作者對其開展仿生學研究,希望能夠設(shè)計、制作出同樣具備類似四足動物強大運動能力的仿生四足機器人,并使這些機器人在軍事偵察、資源勘測、物資運輸和災難救援等眾多領(lǐng)域發(fā)揮作用。從本質(zhì)上分析,四足機器人屬于多學科、多專業(yè)、多領(lǐng)域的融合產(chǎn)物,其研究內(nèi)容涵蓋了結(jié)構(gòu)設(shè)計、步態(tài)規(guī)劃、動力驅(qū)動、運動傳遞、傳感探測、信息處理、運籌決策、系統(tǒng)控制等多個方面,包含著機器人研究領(lǐng)域的眾多熱點和難點問題。本文針對四足機器人運動時存在的技術(shù)難題——多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)控制、動態(tài)穩(wěn)定性控制,以及動力系統(tǒng)能耗控制,對某液壓四足機器人的仿生機構(gòu)設(shè)計、運動控制理論與方法、運動控制系統(tǒng)構(gòu)建、液壓伺服系統(tǒng)設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)問題展開了系統(tǒng)研究與深入探索,為機器人的整體完善與后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。通過廣泛查閱與合理借鑒國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)文獻及其成果,本文在對多種四足哺乳動物進行仿生學研究的基礎(chǔ)上,提煉出可供四足機器人機構(gòu)設(shè)計所借鑒的仿生學規(guī)律;對機器人運動控制方法進行對比與分析,總結(jié)簡捷有效的控制規(guī)律。針對負載型四足機器人的設(shè)計目標,對機器人腿節(jié)數(shù)量、關(guān)節(jié)擺角、液壓缸安裝位置和工作行程等機構(gòu)相關(guān)參數(shù)進行設(shè)計。建立兩腿節(jié)全內(nèi)彎式液壓四足機器人的運動學模型和基于動態(tài)平衡的動力學簡化模型。提出了一種結(jié)合分層遞階控制體系結(jié)構(gòu)和分布式控制體系結(jié)構(gòu)的四足機器人復合式仿生運動控制系統(tǒng)方案,作為機器人控制系統(tǒng)。明確動力系統(tǒng)-電液伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)和控制目標;搭建四足機器人運動、動力和控制三大部分的仿真模型平臺,并建立三者協(xié)同工作的聯(lián)合仿真模型。在上述工作的支撐下,本文建立了四足機器人Trot步態(tài)動力學模型,并據(jù)此提供了四足機器人存在能耗最優(yōu)步長的理論依據(jù);繼而對四足機器人進行了具有足端換相零沖擊特點的復合擺線與更為靈活設(shè)置的貝塞爾曲線足端軌跡規(guī)劃;通過大量仿真實驗對兩種足端軌跡進行速度、穩(wěn)定性、能耗的分析和對比,對機器人邁步參數(shù)如步態(tài)、步長、周期、抬腳高度等變化對機器人產(chǎn)生的影響進行了分析;在保證機器人穩(wěn)定行走的前提下,研究了基于能耗最優(yōu)的參數(shù)設(shè)置。本文還針對機器人不同步態(tài)能耗最優(yōu)步長不同的結(jié)論,設(shè)計出一種基于速度的步態(tài)轉(zhuǎn)換控制策略。針對基于模型的機器人步態(tài)控制方法建模復雜、單周期規(guī)劃、機器人環(huán)境適應性差等缺點,本文深入分析了足端軌跡規(guī)劃中,各足端與機體重心的位置關(guān)系,結(jié)合仿生觀察和CPG步態(tài)轉(zhuǎn)換的理論,設(shè)計了由足端軌跡和機體重心軌跡共同規(guī)劃四足機器人靜止狀態(tài)與運動狀態(tài)的轉(zhuǎn)換、步態(tài)間的轉(zhuǎn)換方式,并設(shè)計出機器人步長和周期連續(xù)改變的控制方法。與此同時,本文還對附著力變化、坡度變化和地面起伏等外部環(huán)境變化對機器人的影響及其應對策略進行了分析與設(shè)計;且根據(jù)動物的坡面運動規(guī)律,計算了關(guān)節(jié)平衡位置改變量與坡度之間的關(guān)系;為了改善機器人的行走效率,本文利用貝塞爾曲線的性質(zhì),合理利用打滑情況,并設(shè)計機器人跨步越障方法和探步越障方法,拓展了機器人正向行走的工作范圍,保證機器人能夠平順的行走。本文通過合理選型與仔細核對,搭建了機器人電液伺服系統(tǒng)平臺,通過仿真實驗分析了電液伺服系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)伺服控制領(lǐng)域的特征問題,設(shè)計了一種模糊自適應前饋補償?shù)腜ID算法及模糊前饋控制器,保證在大誤差情況下能夠?qū)崿F(xiàn)類似bang-bang控制的效果;本文還建立了五次樣條曲線的軌跡規(guī)劃差補算法,保證液壓缸運動速度連續(xù)平滑,加速度連續(xù)。最后,本文研制搭建了四足機器人物理樣機,并使用復合擺線軌跡規(guī)劃的Trot步態(tài)對控制方法進行實驗驗證,實驗結(jié)果令人滿意。本文的研究內(nèi)容與研究成果對四足機器人的理論研究與技術(shù)探索具有借鑒意義及參考價值。
【學位授予單位】：北京理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TP242
【圖文】：

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圖 2.8 四足機器人 Trot步態(tài)行走過程力分布示意圖機器人機體在機體坐標系的俯仰、橫滾和偏轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)力矩平衡方程分別為：LF LF RH RH LF LF RH RHN x = N x + f y + f y(2.31)LF LF RH RHN z = N z(2.32)LF LF RH RHf z = f z(2.33)其中，x，y，z 均為各足端在機體坐標系的坐標；若此時刻機體保持平衡狀態(tài)，且腿全部為正擺，則有LF=x L / 2 + S/ 4，RHx = L / 2 + S/ 4，LF RHy = y = H，LF RHz = z =L'/ 2。S 為當前邁步的步長，在第四章有詳細介紹。由式(2.30)和(2.32)解得LF RHN = N = Mg/ 2(2.34)由于模型中摩擦力和驅(qū)動力相等，將式(2.29)和(2.34)代入式(2.31)，得

4.18 Trot與 Walk 步態(tài)足端與機體的相對位置比較(相同速度、步長)在進行步態(tài)轉(zhuǎn)換時，通常的做法是邁步的速度基本不變，拍步態(tài) Trot，周期減小一半，對照圖 4.7 和圖 4.16，得到 如圖 4.19 所示，由于步態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系周期的比例，Trot 的周面相交曲線即為能效值最低的步態(tài)轉(zhuǎn)換狀態(tài)，即本文機器置對步態(tài)的選擇進行判斷，即比相交曲線更低速狀態(tài)下，宜用 Trot 步態(tài)。

本文編號：2748086