發(fā)布時間：2020-10-10 20:06

　　 輪腿式機器人將腿式機器人和輪式機器人結(jié)合,同時兼?zhèn)漭喪綑C器人的優(yōu)勢和腿式機器人靈活的仿人或仿生特性,在服務、交通和軍事等方面有巨大的潛在應用價值,越來越成為機器人系統(tǒng)與技術(shù)研究的熱門領域,本文以一類電液混合驅(qū)動的兩輪自平衡式輪腿機器人的運動控制為核心,分別在以下幾個方面展開研究工作。輪腿機器人的系統(tǒng)建模。建立各個關(guān)節(jié)角度與關(guān)節(jié)位置坐標之間的運動學模型,根據(jù)機器人運動學模型和樣機的關(guān)節(jié)機構(gòu),建立液壓缸位移和關(guān)節(jié)角度變化之間的關(guān)系。為建立機器人整體的運動控制方案,從平衡控制的基本原理出發(fā),采用解耦與等效的思想對輪腿機器人進行等效系統(tǒng)建模,得到等效的質(zhì)心模型和模型映射關(guān)系�；趹T性測量單元(IMU)和關(guān)節(jié)位移傳感器建立機器人髖關(guān)節(jié)與等效質(zhì)心的卡爾曼濾波狀態(tài)估計模型,為運動控制所需要的模型奠定基礎。輪腿機器人驅(qū)動輪線性變參數(shù)動力學系統(tǒng)(LPV)模型建立與控制算法設計。根據(jù)等效質(zhì)心的思想,在驅(qū)動輪自平衡控制中可以將機器人的動力學簡化成非線性耦合時變參數(shù)的系統(tǒng),采用LPV系統(tǒng)理論和技術(shù)進行建模,并通過張量高階奇異值分解(HOSVD)進行多胞變換,以頂點系統(tǒng)形式來描述系統(tǒng)。并在此基礎上從具體的控制目標出發(fā),設計魯棒混合D-穩(wěn)定增益調(diào)度控制算法,利用矩陣不等式(LMI)求得控制器,保證驅(qū)動輪控制系統(tǒng)的響應和跟蹤魯棒性�；谫|(zhì)心控制的輪腿機器人運動控制策略。對于等效之后的機器人系統(tǒng),采用控制質(zhì)心的方式來實現(xiàn)對輪腿機器人的運動控制,在動態(tài)性能與靜態(tài)穩(wěn)定平衡上分別設計相應的質(zhì)心控制策略和控制率,對于動態(tài)加減速的實現(xiàn),采用預觀控制來規(guī)劃質(zhì)心的軌跡,而靜態(tài)平衡采用一種搜索關(guān)節(jié)角度的算法來優(yōu)化調(diào)整時間,從而實現(xiàn)對質(zhì)心調(diào)控的最優(yōu)控制。輪腿機器人運動控制仿真與實驗。對上述內(nèi)容進行了Matlab數(shù)值仿真以及Vrep與Matlab聯(lián)合的物理引擎仿真,驗證各個算法并整定參數(shù),搭建完成實際物理樣機和控制系統(tǒng),進行驅(qū)動輪電機摩擦辨識與補償實驗,保證力矩控制的精度;結(jié)合以上理論與仿真結(jié)果,分別進行了蹲起、加減速,軌跡跟蹤與定位實驗,驗證方案與算法的合理性。
【學位單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TP242
【部分圖文】：

時又兼具輪式機器人的特點，兩輪輪腿式仿生機器人則既具有了兩輪人的優(yōu)勢，又兼顧腿式機器人靈活的仿人或仿生特性，在各個領域均有應用前景，成為運動機器人領域的一股新潮，由于其本征的非線性，多自定性以及強耦合，在控制上來說十分復雜，因而對輪腿式仿生機器人的究兼具理論和實踐的價值。國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及分析 兩輪自平衡機器人研究現(xiàn)狀倒立擺的思想很早就被應用在導航、制導與控制當中，但兩輪自平衡機卻在 1986 年才被日本的 Yamafuji 教授[1]首先提出，Yamafuji 提出這一現(xiàn)了原理樣機，如圖 1-1 所示。該機器人的兩個輪同軸布置，僅由一個其只能沿著固定的導軌實現(xiàn)直線行走，而無法完成差速轉(zhuǎn)彎，另外，與測量技術(shù)的發(fā)展，其車身傾角的測量是由驅(qū)動輪上的杠桿與地面的的。這一款機器人獲得了 1996 年日本的專利，但由于當時自動化技術(shù)，且這種機器人的前景尚未明確，因此沒有得到太大的重視。

時又兼具輪式機器人的特點，兩輪輪腿式仿生機器人則既具有了兩輪人的優(yōu)勢，又兼顧腿式機器人靈活的仿人或仿生特性，在各個領域均有應用前景，成為運動機器人領域的一股新潮，由于其本征的非線性，多自定性以及強耦合，在控制上來說十分復雜，因而對輪腿式仿生機器人的究兼具理論和實踐的價值。國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及分析 兩輪自平衡機器人研究現(xiàn)狀倒立擺的思想很早就被應用在導航、制導與控制當中，但兩輪自平衡機卻在 1986 年才被日本的 Yamafuji 教授[1]首先提出，Yamafuji 提出這一現(xiàn)了原理樣機，如圖 1-1 所示。該機器人的兩個輪同軸布置，僅由一個其只能沿著固定的導軌實現(xiàn)直線行走，而無法完成差速轉(zhuǎn)彎，另外，與測量技術(shù)的發(fā)展，其車身傾角的測量是由驅(qū)動輪上的杠桿與地面的的。這一款機器人獲得了 1996 年日本的專利，但由于當時自動化技術(shù)，且這種機器人的前景尚未明確，因此沒有得到太大的重視。

哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文，美國發(fā)明家 Dean Kamen 與他的 DEKA 研發(fā)公司[3]發(fā)明設gwayHT(HumanTransporter)，其本質(zhì)仍是自平衡機器人，如巧的設計和強大的性能，SegwayHT 迅速吸引了大量目光，人的商業(yè)化，考慮到由兩輪機器人的本征不穩(wěn)定性導致的安HT 采用了兩套控制系統(tǒng)來進行切換控制，一套在線工作，另檢測到故障時就會進行切換控制，以此來保障行駛安全性能HT 還結(jié)合加速度計來進行機器人身體傾斜角度的融合測量，的傾向，以此來實現(xiàn)平衡穩(wěn)定的啟動與制動。其信息感知系螺儀和 2 個加速度計，其中三個陀螺儀用來測量俯仰，側(cè)擺個離線備用，以便于確保行車安全。Segway HT 自重在 50達到 20km/h，并按照行駛路面狀況分類，以適應不同的環(huán)的性能， SegwayHT 標志著兩輪機器人實用化的開端，并人的視野中。
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本文編號：2835527