【摘要】：雙足機器人運動問題表現(xiàn)為系統(tǒng)模型復雜、工程實現(xiàn)難度高的特點。該領(lǐng)域涵蓋了混合非線性模型,欠驅(qū)動系統(tǒng),環(huán)境交互等相關(guān)難點問題,從理論和應用實踐角度看都是機器人領(lǐng)域里一類代表性的問題。雙足機器人連續(xù)系統(tǒng)的離散化帶來的維數(shù)災難使得問題的全部解難以求得,所以一直以來專家和學者們都在致力于尋求有效的手段和方法。近些年來隨著工程技術(shù)手段的不斷進步,理論算法上的一些發(fā)展,產(chǎn)生了一批性能更加卓越的成果,將該領(lǐng)域的研究帶到了一個新的熱點位置。結(jié)合當前該領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀,本文研究雙足機器人簡化模型、全身運動模型、關(guān)節(jié)驅(qū)動控制與樣機研制四個問題。雙足機器人的低維簡化模型能夠反映雙足機器人運動的本質(zhì)特征,便于上層的運動規(guī)劃。本文分析代表性的三類點質(zhì)量模型。首先,分析彈簧倒立擺模型(SLIP)及其變體構(gòu)型下的被動模型的自穩(wěn)定能力,比較幾種腿式機器人常用機構(gòu)構(gòu)型的自穩(wěn)定性與彈簧倒立擺模型之間的關(guān)系。其次,研究基于線性倒立擺模型(LIPM)的模型預測控制技術(shù)。提出借助擺動腿慣量調(diào)節(jié)偏航角動量的控制方法。最后,弱化通用點質(zhì)量模型逐段線性化的假設(shè)條件,設(shè)計了滑�？刂破�,并在相空間里刻畫了魯棒性圖譜。雙足機器人的高維全身運動模型可以將運動規(guī)劃軌跡映射到關(guān)節(jié)空間,給出實現(xiàn)上層運動規(guī)劃所需的關(guān)節(jié)力矩或位置。本文通過對雙足機器人的浮動坐標系添加虛擬自由度,將欠驅(qū)動系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為全驅(qū)動系統(tǒng)。在操作空間框架下推導基于任務(wù)的逆動力學解析解,實現(xiàn)了實時解算逆動力學,任務(wù)分配層次清晰,與上層簡化點質(zhì)量模型兼容性好。通過對該框架進行實時仿真計算,以帶有被動踝關(guān)節(jié)的雙足機器人模型為例,研究在全身操作空間控制框架下的抗干擾穩(wěn)定運動控制,驗證該框架的有效性。雙足機器人全身運動模型解算關(guān)節(jié)力矩通過關(guān)節(jié)驅(qū)動器實現(xiàn)。為了解決雙足機器人足-地碰撞的緩沖問題,本文研制液壓SEA實現(xiàn)變剛度控制,設(shè)計基于液壓SEA的平面雙足機器人實驗平臺,機構(gòu)構(gòu)型上模擬彈簧倒立擺模型。針對所研制平臺關(guān)節(jié)的非線性傳動機構(gòu)提出兩種變剛度控制方法以解決關(guān)節(jié)傳動中存在的非線性問題,并通過實驗驗證了所提出變剛度控制方法的有效性和對于足-地碰撞緩沖的有效性。針對液壓驅(qū)動器出力能力強、負載剛度高、直線輸出等特點,本文研制液壓驅(qū)動的雙足機器人樣機,針對液壓驅(qū)動器的特點優(yōu)化設(shè)計機器人關(guān)節(jié)和關(guān)鍵零部件。針對電氣系統(tǒng)實時性控制和集成度的需要,設(shè)計了嵌入式和多線程的控制架構(gòu)。針對液壓系統(tǒng)油壓高的特點,優(yōu)化液壓缸結(jié)構(gòu)設(shè)計和液壓油管的走線方式。最后,對基于線性倒立擺的模型預測控制以及角動量控制開展行走實驗測試,驗證雙足機器人樣機平臺性能與運動控制方法的有效性與不足。
【圖文】：

圖 1-1 Boston Dynamics 的雙足系列機器人Fig. 1-1 The series of biped robots developed by Boston Dynamics圖 1-2 Boston Dynamics 的最新版人形機器人 Altas 展示后空翻和室外跑步能力Fig. 1-2 The latest version of Atlas from Boston Dynamics shows backflipping and running

- 13 -圖 1-2 Boston Dynamics 的最新版人形機器人 Altas 展示后空翻和室外跑步能力g. 1-2 The latest version of Atlas from Boston Dynamics shows backflipping and runn2017 年 11 月，，Boston Dynamics 公布了后空翻的視頻，如圖 1-2 左圖 Atlas 先是經(jīng)過幾步跳躍跨過了作為障礙物的箱體，接著跳上一個高臺上完成了 360 度后空翻，并穩(wěn)定的站在了地面上。雖然視頻尾部給出的插花，說明并非該能力足夠穩(wěn)定，但這也已經(jīng)超越平均人類的運動能了體操運動員的水平，展示了出色的角動量控制和機器人關(guān)節(jié)的爆發(fā)8 年 5 月，Boston Dynamics 又公布了戶外草地小跑的視頻，如圖 1-2 右該視頻里 Atlas 可以在草地上自如的奔跑，穩(wěn)定性較好，并且可以識別
【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】：2019
【分類號】：TP242

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本文編號：2645657