四足機器人以四足哺乳動物為模仿對象,重點研究其解剖學結構以及運動機理。隨著足式機器人的發(fā)展,為了滿足四足仿生機器人在真實環(huán)境中快速性、靈活性、機動性的要求,急需解決動步態(tài)的運動控制問題。其中最關鍵的技術就是仿生單腿的彈跳運動控制。單腿機器人有且僅有一種步態(tài)——彈跳步態(tài),其運動涵蓋了足式機器人動步態(tài)尤其是Pronk步態(tài)中腿部發(fā)生的所有事件,包括落地緩沖、蹬地起跳、騰空擺腿等。因此在結構相對簡單的單腿實驗平臺上的彈跳運動控制研究為四足機器人的Pronk步態(tài)及其他動步態(tài)的控制提供理論基礎和參考價值。它的性能決定了足式機器人動步態(tài)的性能,因此本文就單腿機器人彈跳運動的控制方法開展研究,取得以下研究成果。（1）建立及分析了四階非線性液壓作動器系統(tǒng)模型,采用基于反饋線性化的滑�？刂频姆椒▽崿F(xiàn)了液壓作動器的力跟蹤,通過仿真實驗與傳統(tǒng)PID力控制方法進行對比,證明了FLSM算法跟蹤精度高、實用性強。（2）從能量的觀點出發(fā),設計了基于動量守恒的單腿機器人彈跳運動控制方法,采用了基于足底力傳感器和系統(tǒng)時間構建的有限狀態(tài)機,最后在仿真和實驗中實現(xiàn)了雙關節(jié)單腿機器人豎直方向上的彈跳運動,驗證了本文關于足式機器... 

【文章來源】：國防科技大學湖南省 211工程院校 985工程院校

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【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

不同階段的BigDog四足機器人如圖1.2左所示，波士頓動力公司研制的Cheetah[8]四足機器人是眼下世界上

國防科技大學研究生院碩士學位論文第2頁的周期回歸性，提出了基于動量守恒彈跳運動控制方法，以動量為約束使機器人實現(xiàn)穩(wěn)定的彈跳。單腿機器人的彈跳運動包含了足式機器人動步態(tài)特別是Pronk步態(tài)運動中腿部運動的所有事件，包括落地緩沖、蹬地助推起跳、騰空收（擺）腿等。因此在單腿實驗平臺上的彈跳運動研究為四足機器人的Pronk步態(tài)及其他動步態(tài)的控制提供理論基礎和參考價值。1.2課題研究現(xiàn)狀1.2.1四足機器人研究現(xiàn)狀從2004開始，在美國國防部先進研究項目局（DAPRA）的支持下，波士頓動力在四足移動機器人領域取得了一個又一個令人折服的研究成果，研制了如BigDog、LittleDog、AlphaDog、LS3、Cheetah、WildCat、Spot和SpotMini等一批高動態(tài)仿生四足機器人。如圖1.1所示，BigDog[5,6,7]長0.91米，高0.76米，重110千克，和騾子差不多大校能夠負載150千克以6.4公里每小時在叢林、雪地、荒漠等復雜地形下自主運動。圖1.1不同階段的BigDog四足機器人如圖1.2左所示，波士頓動力公司研制的Cheetah[8]四足機器人是眼下世界上運動最快的足式機器人，仿照獵豹的生物機構，在其背部安裝有可旋轉柔性脊椎，以至于在奔跑的過程中增加單步步幅和運動速度。在實驗室運動測試速度達到46公里每小時，WildCat是Cheetah的室外版本，如圖1.2右所示，在2013年室外測試時實現(xiàn)了bounding、galloping高速穩(wěn)定運動。圖1.2Cheetah（左）和WildCat（右）四足機器人如圖1.3所示。2015年，波士頓動力公司發(fā)布電機和液壓混合驅動的spot四

國防科技大學研究生院碩士學位論文第3頁足機器人，如圖1.3左，頭部裝有激光雷達，用于環(huán)境感知、建模和導航。Spot具有極高的靈活運動能力，能夠在室內運動自如，可以抓取器物以及開門。2016年1月，波士頓動力又發(fā)布出新版本的Spot四足機器人SpotMini如圖1.3中所示，帶有機械臂，可實現(xiàn)開關門以及物品的拾��；在2018年Spot家族再一次更新，退出SpotMini2018，如圖。1.3右所示。為完全電機驅動并在本體裝有機械臂，可以完成物品的穩(wěn)定抓取，被稱為“最安靜的機器人”。該設備重量為30，可持續(xù)運動90分鐘。圖1.3Spot系列四足機器人意大利理工（Dept.ofAdvancedTecnologia）自2008年以來，已經研制出三代HYQ機器人，如圖1.4所示。HYQ[9,10,11]是2010年由Semini設計的一款液壓驅動四足機器人，重80千克，約1米長。每條腿有三個液壓驅動關節(jié)，靠高性能伺服閥控制關節(jié)角度和關節(jié)力，本體裝有攝像機和雷達來進行環(huán)境的三維建模。該機器人在測試中針對不同的地形使用crawl、walk、trot多種步態(tài)，展現(xiàn)出較高的運動性能。圖1.4HYQ系列四足機器人如圖1.5所示，麻省理工學院仿生機器人實驗室從2011年開展仿生四足機器人研究以來，至今已研制了三代電機驅動的四足機器人MITCheetah[12,13,14]。MITCheetahV2[15,16]是第一代四足機器人的繼承版，如圖1.5中所示，該機器人外形仿照獵豹設計，具有脊柱關節(jié)結構，其核心是一個自產的高力矩輸出驅動電機。室內試驗表明，CheetahV2能夠實現(xiàn)高達23公里每小時的跳躍步態(tài)奔跑速度，并能夠自主跳躍40厘米高的障礙（其腿長的80%）而持續(xù)奔跑。CheetahV3具有可以變形的膝關節(jié)，如圖1.5右所示，配有亞馬遜研發(fā)的ECHO智能音箱，可根據語音指示完成動作。

【參考文獻】：
期刊論文
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博士論文
[1]液壓驅動單腿跳躍機器人控制系統(tǒng)研究[D]. 陳志偉.浙江大學 2016
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碩士論文
[1]液壓四足機器人柔順性控制[D]. 柯賢鋒.北京理工大學 2016



本文編號：3020906