四足機器人參數辨識及步態(tài)規(guī)劃研究
發(fā)布時間：2021-01-10 04:49
四足機器人一直是機器人方向的重點研究課題,本文設計了一種基于3PUPS機構的并聯(lián)四足機器人,它能夠適應各種復雜地形、高效完成指定任務。本文使用參數辨識的方法計算動力學模型,使其能夠更快更準確的完成機構的動力學計算。為了使四足機器人行走的更加穩(wěn)定,本文提出了一種基于中央模式控制的虛擬模型步態(tài)控制算法。首先對動力學模型進行線性化,提取出機構的慣性參數,然后找出最小慣性參數集合。將采集到的數據輸入動力學模型,并進行奇異值分解來獲得動力學模型的最小慣性參數集。為了使參數能準確的辨識,用機器人的運動參數將運動軌跡表達出來,然后用傅里葉級數的解析式來描述運動軌跡,并用條件數最小的原則對傅里葉級數里面的參數進行優(yōu)化減小矩陣的病態(tài)性對參數辨識的影響。最后使用加權最小二乘法來求解動力學模型組成的超靜定方程組求解出機構的慣性參數。四足移動機器人的控制器分為兩部分。首先是由四個耦合的Kuramoto非線性振蕩器構成網絡拓撲,并構建出振子網絡與關節(jié)實際輸出之間的映射關系,然后通過彈簧阻尼器將實際輸出轉化為實際驅動力矩。其次通過虛擬模型控制器,計算四足移動機器人姿態(tài)調整所需的足端虛擬力,并根據虛擬工作原理將足端...
【文章來源】：燕山大學河北省
【文章頁數】：101 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
HyQ機器人
啥扔苫?砩仙斐齙鬧畢咚歐?緇??????⊥裙辜?淖雜啥?由安裝在大腿構件上的直線伺服電機進行驅動，同時小腿上進行足端緩沖，其結構圖如圖1-1所示�！癝pot”機器人也是采用這中結構，其清爽的構型下卻有著強勁的動力，其踝關節(jié)高度定制，其獨特之處在于作為動力輸出的諧波減速器鋼輪并不是采用螺釘傳遞扭矩[4]，而是采用兩個摩擦墊依靠摩擦帶動腿部部件轉動，這種結構的優(yōu)點在于當足端或者軀干收到外界沖擊力超過極限值時，兩個摩擦墊就可以產生相對滑動來保護減速器和伺服電機，其結構圖如圖1-2所示。圖1-1HyQ機器人圖1-2Spot機器人還有一些串聯(lián)型四足移動機器人機械腿有三個旋轉關節(jié)，其目的是模仿動物腿部結構中的足端跟腱等部位，使其在復雜的路況中仿生學與運動學特性更加優(yōu)異。例如Cheetah-cub四足移動機器人便是如此。其控制髖關節(jié)自由度的電機安裝在四足移
盡可能的減小腿部的剛度來保證機器人整體運行的平穩(wěn)程度。同時用一根電纜繞過髖關節(jié)與軀干內的電機相連以控制膝關節(jié)的自由度。在足端采用一個安裝了彈簧的連桿伸出來模仿動物腿部的跟腱，來減小四足移動機器人足端著地的瞬時沖擊力。其結構圖如圖1-3所示。采用這種結構的還有波士頓動力公司的BigDog機器人，該機器狗的行走視頻在網上流傳非常廣泛，在社交平臺上一度風靡一時。該四足移動機器人整體采用液壓伺服系統(tǒng)進行驅動，通過液壓泵將液壓油送到腿部執(zhí)行器的各關節(jié)處來驅動機器人進行行走，其機構圖如圖1-4所示。圖1-3Cheetah機器人圖1-4BigDog機器人通常此類四足移動機器人結構較為簡單，但是由于每條腿都是直接有大功率的電機直接進行髖關節(jié)和膝關節(jié)的驅動，因此響應較為迅速。不過此類機器人構型方式在其結構上本身就注定了在相同體積時起負載能力較低。1.2.2并聯(lián)機器人研究現狀相對與串聯(lián)四足機器人來說，并聯(lián)四足機器人其承載能力大大提高，而且其靈活的構型和極高的運動精度可以高效準確的執(zhí)行預期任務。但是其復雜的結構需要扎實的機構學基礎，而且并聯(lián)四足移動機器人的運動學與動力學相比與串聯(lián)機器人來說運算更加耗時，因此對并聯(lián)機構的四足移動機器人的研究有限。日本高西研究所開發(fā)出的一款并聯(lián)行走機器人“WL-16RIV”，高度為1.28米，其單腿機構采用stewart平臺作為基礎機構，采用電動推桿作為單腿驅動構件，通過座椅上把手的控制操作桿來控制并聯(lián)機器人移動的方向和速度，其機構圖如圖1-5所示。由日本東京工業(yè)大學團隊所設計的一款高層玻璃清洗機器人“NINJA-I”和“NINJA-II”，此機器人每個單元高度接近1.8米，左右寬度為0.5米，整體質量為45公斤，其每條腿由并聯(lián)機
【參考文獻】：
期刊論文
[1]V-REP機器人仿真遠程控制方法研究[J]. 樂斌,曾興斌. 工業(yè)控制計算機. 2018(09)
[2]基于傅里葉級數關節(jié)激勵軌跡的iiwa動力學參數辨識[J]. 程青松,羅磊,徐嘯順,莫錦秋. 機電一體化. 2018(05)
[3]基于V-REP的關節(jié)機器人運動仿真[J]. 趙海林,錢煒,孫福佳. 電子科技. 2017(04)
[4]3-UPS/PU并聯(lián)機構動力學建模及自適應滑�？刂芠J]. 張達,原大寧,劉宏昭. 機械科學與技術. 2017(02)
[5]基于虛擬模型的四足機器人對角小跑步態(tài)控制方法[J]. 張國騰,榮學文,李貽斌,柴匯,李彬. 機器人. 2016(01)
[6]一種工業(yè)機器人動力學參數的辨識方法[J]. 丁亞東,陳柏,吳洪濤,申浩宇. 華南理工大學學報(自然科學版). 2015(03)
[7]基于最優(yōu)激勵軌跡的RRR機械臂動力學參數辨識[J]. 婁玉冰,王東署. 鄭州大學學報(理學版). 2011(03)
[8]基于6維力/力矩傳感器的并聯(lián)機器人慣性參數辨識方法[J]. 楊建新,余躍慶. 機械科學與技術. 2006(07)
[9]機器人慣性參數辨識的若干方法及進展[J]. 劉正士,陳恩偉,干方建. 合肥工業(yè)大學學報(自然科學版). 2005(09)
[10]基于虛擬模型的四足機器人直覺控制[J]. 陳佳品,程君實,席裕庚. 上海交通大學學報. 2002(08)
博士論文
[1]變胞變尺度輪腿混合四足機器人研究[D]. 曲夢可.燕山大學 2017
[2]耦合振子的動力學行為研究[D]. 馮月娥.北京郵電大學 2017
[3]復雜地形環(huán)境四足機器人運動控制方法研究與實現[D]. 孟健.山東大學 2015
[4]四足機器人對角小跑步態(tài)虛擬模型直覺控制方法研究[D]. 謝惠祥.國防科學技術大學 2015
[5]機器人動態(tài)特性及動力學參數辨識研究[D]. 陳恩偉.合肥工業(yè)大學 2006
[6]可重構混聯(lián)機械手模塊TriVariant的設計理論與方法[D]. 李曚.天津大學 2005
碩士論文
[1]自適應行星輪式履帶機器人的研究[D]. 孫軍權.北京交通大學 2019
[2]基于MATLAB與V-REP的機器人三維建模與加工運動仿真[D]. 張世超.廈門大學 2018
[3]基于虛擬模型和阻抗控制的四足液壓驅動機器人行走研究[D]. 李鑫.哈爾濱工業(yè)大學 2018
[4]雙臂機器人在搬運作業(yè)中的運動分析與控制方法研究[D]. 敖天翔.西南科技大學 2018
[5]6UPS并聯(lián)機構尺寸優(yōu)化與動力學模型研究[D]. 劉天旭.燕山大學 2018
[6]Kuramoto模型的同步與漸近行為[D]. 曾凡芹.哈爾濱工業(yè)大學 2017
[7]多足移動機器人系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性控制方法與實驗研究[D]. 史軍軍.沈陽理工大學 2016
[8]工業(yè)機器人動力學參數辨識[D]. 丁亞東.南京航空航天大學 2015
[9]爆發(fā)式同步的廣義Kuramoto模型的解析求解[D]. 胡鑫.華東師范大學 2014
[10]四足仿生機器人結構設計研究[D]. 陳思宇.華中科技大學 2014
本文編號：2968094
【文章來源】：燕山大學河北省
【文章頁數】：101 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
HyQ機器人
啥扔苫?砩仙斐齙鬧畢咚歐?緇??????⊥裙辜?淖雜啥?由安裝在大腿構件上的直線伺服電機進行驅動，同時小腿上進行足端緩沖，其結構圖如圖1-1所示�！癝pot”機器人也是采用這中結構，其清爽的構型下卻有著強勁的動力，其踝關節(jié)高度定制，其獨特之處在于作為動力輸出的諧波減速器鋼輪并不是采用螺釘傳遞扭矩[4]，而是采用兩個摩擦墊依靠摩擦帶動腿部部件轉動，這種結構的優(yōu)點在于當足端或者軀干收到外界沖擊力超過極限值時，兩個摩擦墊就可以產生相對滑動來保護減速器和伺服電機，其結構圖如圖1-2所示。圖1-1HyQ機器人圖1-2Spot機器人還有一些串聯(lián)型四足移動機器人機械腿有三個旋轉關節(jié)，其目的是模仿動物腿部結構中的足端跟腱等部位，使其在復雜的路況中仿生學與運動學特性更加優(yōu)異。例如Cheetah-cub四足移動機器人便是如此。其控制髖關節(jié)自由度的電機安裝在四足移
盡可能的減小腿部的剛度來保證機器人整體運行的平穩(wěn)程度。同時用一根電纜繞過髖關節(jié)與軀干內的電機相連以控制膝關節(jié)的自由度。在足端采用一個安裝了彈簧的連桿伸出來模仿動物腿部的跟腱，來減小四足移動機器人足端著地的瞬時沖擊力。其結構圖如圖1-3所示。采用這種結構的還有波士頓動力公司的BigDog機器人，該機器狗的行走視頻在網上流傳非常廣泛，在社交平臺上一度風靡一時。該四足移動機器人整體采用液壓伺服系統(tǒng)進行驅動，通過液壓泵將液壓油送到腿部執(zhí)行器的各關節(jié)處來驅動機器人進行行走，其機構圖如圖1-4所示。圖1-3Cheetah機器人圖1-4BigDog機器人通常此類四足移動機器人結構較為簡單，但是由于每條腿都是直接有大功率的電機直接進行髖關節(jié)和膝關節(jié)的驅動，因此響應較為迅速。不過此類機器人構型方式在其結構上本身就注定了在相同體積時起負載能力較低。1.2.2并聯(lián)機器人研究現狀相對與串聯(lián)四足機器人來說，并聯(lián)四足機器人其承載能力大大提高，而且其靈活的構型和極高的運動精度可以高效準確的執(zhí)行預期任務。但是其復雜的結構需要扎實的機構學基礎，而且并聯(lián)四足移動機器人的運動學與動力學相比與串聯(lián)機器人來說運算更加耗時，因此對并聯(lián)機構的四足移動機器人的研究有限。日本高西研究所開發(fā)出的一款并聯(lián)行走機器人“WL-16RIV”，高度為1.28米，其單腿機構采用stewart平臺作為基礎機構，采用電動推桿作為單腿驅動構件，通過座椅上把手的控制操作桿來控制并聯(lián)機器人移動的方向和速度，其機構圖如圖1-5所示。由日本東京工業(yè)大學團隊所設計的一款高層玻璃清洗機器人“NINJA-I”和“NINJA-II”，此機器人每個單元高度接近1.8米，左右寬度為0.5米，整體質量為45公斤，其每條腿由并聯(lián)機
【參考文獻】：
期刊論文
[1]V-REP機器人仿真遠程控制方法研究[J]. 樂斌,曾興斌. 工業(yè)控制計算機. 2018(09)
[2]基于傅里葉級數關節(jié)激勵軌跡的iiwa動力學參數辨識[J]. 程青松,羅磊,徐嘯順,莫錦秋. 機電一體化. 2018(05)
[3]基于V-REP的關節(jié)機器人運動仿真[J]. 趙海林,錢煒,孫福佳. 電子科技. 2017(04)
[4]3-UPS/PU并聯(lián)機構動力學建模及自適應滑�？刂芠J]. 張達,原大寧,劉宏昭. 機械科學與技術. 2017(02)
[5]基于虛擬模型的四足機器人對角小跑步態(tài)控制方法[J]. 張國騰,榮學文,李貽斌,柴匯,李彬. 機器人. 2016(01)
[6]一種工業(yè)機器人動力學參數的辨識方法[J]. 丁亞東,陳柏,吳洪濤,申浩宇. 華南理工大學學報(自然科學版). 2015(03)
[7]基于最優(yōu)激勵軌跡的RRR機械臂動力學參數辨識[J]. 婁玉冰,王東署. 鄭州大學學報(理學版). 2011(03)
[8]基于6維力/力矩傳感器的并聯(lián)機器人慣性參數辨識方法[J]. 楊建新,余躍慶. 機械科學與技術. 2006(07)
[9]機器人慣性參數辨識的若干方法及進展[J]. 劉正士,陳恩偉,干方建. 合肥工業(yè)大學學報(自然科學版). 2005(09)
[10]基于虛擬模型的四足機器人直覺控制[J]. 陳佳品,程君實,席裕庚. 上海交通大學學報. 2002(08)
博士論文
[1]變胞變尺度輪腿混合四足機器人研究[D]. 曲夢可.燕山大學 2017
[2]耦合振子的動力學行為研究[D]. 馮月娥.北京郵電大學 2017
[3]復雜地形環(huán)境四足機器人運動控制方法研究與實現[D]. 孟健.山東大學 2015
[4]四足機器人對角小跑步態(tài)虛擬模型直覺控制方法研究[D]. 謝惠祥.國防科學技術大學 2015
[5]機器人動態(tài)特性及動力學參數辨識研究[D]. 陳恩偉.合肥工業(yè)大學 2006
[6]可重構混聯(lián)機械手模塊TriVariant的設計理論與方法[D]. 李曚.天津大學 2005
碩士論文
[1]自適應行星輪式履帶機器人的研究[D]. 孫軍權.北京交通大學 2019
[2]基于MATLAB與V-REP的機器人三維建模與加工運動仿真[D]. 張世超.廈門大學 2018
[3]基于虛擬模型和阻抗控制的四足液壓驅動機器人行走研究[D]. 李鑫.哈爾濱工業(yè)大學 2018
[4]雙臂機器人在搬運作業(yè)中的運動分析與控制方法研究[D]. 敖天翔.西南科技大學 2018
[5]6UPS并聯(lián)機構尺寸優(yōu)化與動力學模型研究[D]. 劉天旭.燕山大學 2018
[6]Kuramoto模型的同步與漸近行為[D]. 曾凡芹.哈爾濱工業(yè)大學 2017
[7]多足移動機器人系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性控制方法與實驗研究[D]. 史軍軍.沈陽理工大學 2016
[8]工業(yè)機器人動力學參數辨識[D]. 丁亞東.南京航空航天大學 2015
[9]爆發(fā)式同步的廣義Kuramoto模型的解析求解[D]. 胡鑫.華東師范大學 2014
[10]四足仿生機器人結構設計研究[D]. 陳思宇.華中科技大學 2014
本文編號：2968094
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