本文選題：雙足機器人　切入點：動態(tài)步行　出處：《哈爾濱工業(yè)大學》2017年碩士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：雙足機器人是機器人技術發(fā)展過程中的一個重要分支,因其具有擬人特性,且具備在非結構化環(huán)境中運動的能力,一直以來都被視作未來人類生活的重要參與者。近年來隨著波士頓動力公司最新一代Atlas雙足機器人的問世,雙足機器人發(fā)展已經邁入了具備應對不同地形能力,實現(xiàn)多重工作任務的嶄新紀元,在此領域,我國與世界先進水平尚有較大差距。生物學研究表明,足式動物適應不同地形,處理不同任務的能力與腿部阻抗參數(shù)息息相關。因此本文將針對雙足機器人地形適應能力不足的問題,以頂層控制算法為研究對象,從改變系統(tǒng)阻抗特性的思路出發(fā),切實提高雙足機器人的運動性能。本文以足式生物下肢為參考對象,秉承輕量化和緊湊型要求,建立液壓驅動雙足機器人樣機模型,為后續(xù)研究工作奠定基礎。運動學關系是機器人連桿運動與關節(jié)運動之間的紐帶,本文針對傳統(tǒng)運動學分析方法的不足,采用浮體運動學方法對雙足機器人進行運動學分析,建立連桿運動與關節(jié)運動之間的映射關系。在此基礎上,采用參數(shù)化方法對機器人髖關節(jié)及足端軌跡進行合理規(guī)劃,并應用逆運動學方法將其映射到關節(jié)空間,作為雙足機器人控制器的輸入信號。雙足機器人系統(tǒng)是一個多變量、強耦合、非線性和自然不穩(wěn)定的系統(tǒng),具有時變的拓撲結構,且足端接觸力在運動周期內時刻變化,其系統(tǒng)特性決定了機器人的控制難度。為提高控制器的性能和消除系統(tǒng)的非線性,針對不同的拓撲結構,采用拉格朗日動力學方法建立了相應的動力學模型,建立起關節(jié)運動與關節(jié)力矩之間的關系,并對足地碰撞過程對系統(tǒng)特性產生的影響進行了理論分析。阻抗控制是改變機器人系統(tǒng)阻抗特性的重要方法之一,針對基于位置的阻抗控制方法和基于力的阻抗控制方法特性不明的問題,本文采用理論推導和仿真驗證相結合的方式對兩種控制方法的特點和適用環(huán)境進行了說明,并采用狀態(tài)空間方法對阻抗控制方法的控制特性進行了闡述。通過對比,本文選擇基于力的阻抗控制方法。為驗證主動阻抗控制方法的有效性,建立單足機器人Simulink-ADAMS聯(lián)合仿真模型,并進行自由空間跟隨、非線性及線性彈簧模擬以及主動彈跳仿真,仿真結果驗證了該方法在調節(jié)系統(tǒng)阻抗方面的有效性。為說明阻抗控制方法對提高雙足機器人性能的有效性,本文分別采用基于逆動力學模型的計算力矩控制方法和基于虛擬模型的主動阻抗控制方法對機器人進行控制。計算力矩控制方法屬于傳統(tǒng)的基于模型的控制算法,利用反饋線性化消除系統(tǒng)非線性,通過復現(xiàn)關節(jié)軌跡實現(xiàn)行走。本文提出的控制算法采用虛擬模型控制和基于力的阻抗控制相結合的方式,虛擬模型控制方法主要用于機器人支撐腿的控制,基于力的阻抗控制方法則側重于擺動腿的控制。建立聯(lián)合仿真模型,進行平坦路面行走、不同剛度路面行走以及不平路面行走等仿真實驗,仿真結果表明,相較于計算力矩控制方法,虛擬模型控制和基于力的阻抗控制相結合的控制算法切實提高了機器人適應不同路面以及處理未知環(huán)境障礙的能力。
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【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TP242

【參考文獻】

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本文編號：1563005