發(fā)布時間：2017-09-06 18:32

  本文關(guān)鍵詞：氣動單足機器人垂直跳躍動態(tài)特性的研究

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【摘要】：足式行走型機器人所獨有的小面積支撐、交叉跨步、跳躍越障的特點使其在占地廣闊的田間、山地、廢墟、戰(zhàn)場等復雜惡劣環(huán)境中行進時具有輪式機器人無法比擬的優(yōu)越性,足式機器人行進時支撐約束的多變以及與重心位置的復雜關(guān)系經(jīng)常使其處于靜態(tài)不穩(wěn)定狀態(tài),而單足機器人是足式機器人中靜態(tài)最不穩(wěn)定的系統(tǒng),研究單足機器人的跳躍能力和全局運動穩(wěn)定性對足式機器人的發(fā)展具有重大的理論意義和實際價值。實現(xiàn)單足機器人自平衡穩(wěn)定跳躍的關(guān)鍵技術(shù)包括具有較強緩沖能力與爆發(fā)力的跳躍技術(shù)和機身姿態(tài)檢測與調(diào)整技術(shù)。針對由機身和通過球鉸與之連接的彈跳腿組成的單足跳躍機器人,分析了用于調(diào)節(jié)彈跳腿相對機身擺動時擺角和方位角的伺服液壓缸與機身和彈跳腿的連接方案,通過分析彈跳腿相對機身運動時各特征點所組成的直線和平面之間的幾何關(guān)系,運用空間解析幾何向量代數(shù)的運算法則,建立在兩個液壓缸驅(qū)動下彈跳腿相對機身擺動的運動學逆解和正解方程。設(shè)計了由四個超聲波傳感器組成的機身姿態(tài)檢測系統(tǒng)和兩個伺服液壓缸組成的機身姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng),通過MATLAB仿真和SOLIDWORKS三維圖解驗證所做理論分析、動態(tài)建模和仿真結(jié)果的正確性。依據(jù)動力學、熱力學和自動控制的基本理論,建立基于能量控制的氣動位置伺服系統(tǒng)數(shù)學模型。通過對氣缸活塞運動規(guī)律和氣體作用規(guī)律的分析,建立氣缸的動力學方程、能量方程、流量方程、溫度方程和摩擦力方程,使用能量差PD算法控制活塞的定位過程。在MATLAB上建立騰空相彈跳腿氣動位置伺服系統(tǒng)仿真模型并對活塞的定位過程和定位精度進行仿真研究。綜合應用動力學、碰撞和自動控制理論以及氣動伺服系統(tǒng)研究成果,建立單足機器人落地碰撞、觸地相、起跳沖擊和騰空相運動過程數(shù)學模型和垂直跳躍綜合動態(tài)模型,在MATLAB上建立和調(diào)試聯(lián)合仿真模型,對單足機器人垂直跳躍運動過程和動態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律進行仿真研究,在理論上驗證所建數(shù)學模型的正確性。對機器人前一周期跳躍高度、落地時刻氣缸下腔預設(shè)氣壓和活塞預設(shè)相對坐標、觸地相氣缸上腔充排氣起始氣壓、上下腔充排氣轉(zhuǎn)換相對坐標和節(jié)流口面積對機器人跳躍高度的影響規(guī)律進行仿真研究,尋找實現(xiàn)機器人穩(wěn)定垂直跳躍的上述參數(shù)的可用區(qū)間和較佳區(qū)間。對機器人落地時刻氣缸下腔預設(shè)氣壓和活塞預設(shè)相對坐標、觸地相氣缸上下腔充排氣轉(zhuǎn)換相對坐標對單足機器人落地碰撞和起跳沖擊的影響規(guī)律進行仿真研究,尋找上述參數(shù)使機器人落地碰撞和起跳沖擊更小的可用區(qū)間和較佳區(qū)間,為實現(xiàn)單足機器人連續(xù)穩(wěn)定的垂直跳躍奠定理論基礎(chǔ)。搭建由DSP控制系統(tǒng)、多傳感器檢測系統(tǒng)、氣動位置伺服驅(qū)動系統(tǒng)和單足機器人機械本體組成的單足機器人垂直跳躍實驗臺,對機器人騰空相彈跳腿氣動位置伺服系統(tǒng)的定位精度和動態(tài)特性、單足機器人垂直跳躍的動態(tài)特性和穩(wěn)定性進行實驗研究。實驗研究機器人落地時刻氣缸下腔預設(shè)氣壓和活塞預設(shè)相對坐標、氣缸充排氣起始時刻和時間、比例閥節(jié)流口有效面積對單足機器人跳躍高度的影響規(guī)律;實驗研究落地時刻氣缸下腔預設(shè)氣壓和活塞預設(shè)相對坐標、氣缸上下腔充排氣時間對機器人落地碰撞和起跳沖擊的影響規(guī)律。通過與仿真結(jié)果對比,驗證本文所建立的單足機器人騰空相氣動位置伺服系統(tǒng)和垂直跳躍動態(tài)模型及仿真結(jié)果的正確性。通過對單足機器人運動學正解和逆解、機身姿態(tài)超聲波檢測和液壓伺服調(diào)整系統(tǒng)、彈跳腿氣動位置伺服系統(tǒng)和機器人連續(xù)穩(wěn)定垂直跳躍進行動態(tài)建模、聯(lián)合仿真和實驗研究,完成機身姿態(tài)檢測和調(diào)整系統(tǒng)的理論分析和驗證,在理論和實驗上實現(xiàn)單足機器人等高和變高連續(xù)穩(wěn)定的垂直跳躍。
【關(guān)鍵詞】：單足機器人 超聲波姿態(tài)檢測 垂直跳躍 液壓伺服姿態(tài)調(diào)整 氣缸活塞精確定位
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TP242
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第1章 緒論14-27
• 1.1 課題背景及研究的目的和意義14-15
• 1.2 單足機器人的發(fā)展概況15-20
• 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀15-19
• 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀19-20
• 1.3 單足機器人關(guān)鍵技術(shù)及其相關(guān)理論的發(fā)展20-25
• 1.3.1 氣動技術(shù)概述20-22
• 1.3.2 液壓技術(shù)概述22-23
• 1.3.3 多傳感器數(shù)據(jù)融合概述23-24
• 1.3.4 機器人運動學解法概述24
• 1.3.5 跳躍機器人動態(tài)特性研究概述24-25
• 1.4 本文的主要研究內(nèi)容25-27
• 第2章 機器人運動學分析及姿態(tài)檢測與調(diào)整方法27-64
• 2.1 引言27
• 2.2 姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)分析及坐標系的建立27-31
• 2.2.1 單足機器人結(jié)構(gòu)及姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)分析27-29
• 2.2.2 機器人坐標系的建立及初始參數(shù)的確定29-31
• 2.3 彈跳腿相對機身轉(zhuǎn)動運動學方程31-41
• 2.3.1 機器人運動學逆解方程的推導32-37
• 2.3.2 機器人運動學正解方程的推導37-41
• 2.4 機器人運動學仿真與驗證41-44
• 2.4.1 仿真模型的建立與調(diào)試41-42
• 2.4.2 運動學仿真分析42-43
• 2.4.3 運動學正解和逆解的三維圖解驗證43-44
• 2.5 觸地相姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)動態(tài)模型的建立44-55
• 2.5.1 姿態(tài)檢測及液壓伺服系統(tǒng)動態(tài)模型44-48
• 2.5.2 姿態(tài)調(diào)整過程動力學方程48-52
• 2.5.3 姿態(tài)檢測與調(diào)整控制算法方程52-55
• 2.6 觸地相姿態(tài)調(diào)整過程動態(tài)仿真55-62
• 2.6.1 仿真模型的建立與調(diào)試55-56
• 2.6.2 機身姿態(tài)檢測與調(diào)整過程仿真56-59
• 2.6.3 檢測誤差對機身姿態(tài)調(diào)整精度影響規(guī)律仿真59-62
• 2.7 本章小結(jié)62-64
• 第3章 氣動彈跳腿騰空相活塞位置精確控制研究64-87
• 3.1 引言64
• 3.2 氣動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)64
• 3.3 氣缸數(shù)學模型的建立64-79
• 3.3.1 活塞運動方程65-66
• 3.3.2 氣缸熱力學方程66-79
• 3.4 控制算法方程的建立79-82
• 3.5 摩擦力補償方程82-83
• 3.6 彈跳腿活塞定位精度仿真83-86
• 3.6.1 氣動伸縮式彈跳腿氣動系統(tǒng)仿真模型83-85
• 3.6.2 騰空階段活塞定位精度仿真分析85-86
• 3.7 本章小結(jié)86-87
• 第4章 單足機器人垂直跳躍動態(tài)建模與仿真87-141
• 4.1 引言87
• 4.2 機器人運動過程動態(tài)模型的建立87-104
• 4.2.1 機器人垂直跳躍坐標系的建立及運動分析87-93
• 4.2.2 落地碰撞過程動態(tài)模型93-98
• 4.2.3 觸地相運動過程動態(tài)模型98-101
• 4.2.4 起跳沖擊及騰空相動態(tài)模型101-104
• 4.3 單足機器人垂直跳躍仿真模型與聯(lián)合仿真104-140
• 4.3.1 機器人垂直跳躍仿真模型的建立104-108
• 4.3.2 機器人動態(tài)參數(shù)仿真及變化規(guī)律分析108-113
• 4.3.3 落地碰撞和起跳沖擊影響因素分析與仿真113-119
• 4.3.4 跳躍高度影響因素分析與仿真119-135
• 4.3.5 實現(xiàn) 0.08m等高跳躍影響因素分析與仿真135-138
• 4.3.6 不同地面影響規(guī)律仿真與分析138-140
• 4.4 本章小結(jié)140-141
• 第5章 單足機器人垂直跳躍動態(tài)特性實驗研究141-169
• 5.1 引言141
• 5.2 控制系統(tǒng)設(shè)計及實驗臺搭建141-150
• 5.2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計141-144
• 5.2.2 實驗臺搭建及實驗過程設(shè)計144-150
• 5.3 垂直跳躍實驗臺的調(diào)試及仿真結(jié)果驗證150-156
• 5.3.1 控制程序的編寫與實驗臺調(diào)試150-151
• 5.3.2 跳躍氣缸活塞定位精度及時間實驗151-152
• 5.3.3 單足機器人連續(xù)穩(wěn)定跳躍實驗152-156
• 5.4 機器人跳躍高度影響因素分析實驗156-160
• 5.5 機器人落地碰撞和起跳沖擊實驗160-165
• 5.6 不同地面影響規(guī)律實驗165-167
• 5.7 本章小結(jié)167-169
• 結(jié)論169-171
• 參考文獻171-180
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的論文及其它成果180-182
• 致謝182-183
• 個人簡歷183

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本文編號：804760