四足機(jī)器人擁有靈活的運動形式和優(yōu)異的地面適應(yīng)能力,近年來一直是機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點,擁有廣闊的應(yīng)用前景。由于工作環(huán)境的未知復(fù)雜性,傳統(tǒng)的剛性四足機(jī)器人在緩和地面沖擊力、提高能量利用率等方面表現(xiàn)越來越乏力,本文設(shè)計了一款基于主-被動變剛度柔性關(guān)節(jié)apVSJ（Active and Passive Variable Stiffness Joint）的四足仿生機(jī)器人樣機(jī),并以提高在未知復(fù)雜環(huán)境下的自適應(yīng)能力為目標(biāo)開展了四足機(jī)器人自適應(yīng)穩(wěn)定行走的運動控制策略研究。主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新性成果如下:1.四足機(jī)器人模型建立。首先對帶有apVSJ的單腿進(jìn)行了簡化假設(shè),然后進(jìn)行了數(shù)學(xué)模型分析,運用拉格朗日法建立了單腿的動力學(xué)方程。建立了由直流伺服電機(jī)、諧波減速器、apVSJ和負(fù)載組成的電驅(qū)動單元數(shù)學(xué)模型,通過MATLAB仿真分析了電驅(qū)動單元的輸出特性。2.運動控制策略研究。通過對自然界中生物步態(tài)的分析最終選取了對角小跑步態(tài)作為四足機(jī)器人的運動步態(tài)。借鑒Raibert的控制解耦思想,采用著地相和騰空相兩個獨立的運動控制策略,設(shè)計了一款能夠?qū)崿F(xiàn)四足機(jī)器人在未知復(fù)雜環(huán)境下運動的控制策略。通過Simulink-AD... 

【文章來源】：河北工業(yè)大學(xué)天津市 211工程院校

【文章頁數(shù)】：82 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

WalkingTruck機(jī)器人1977年McGhee和Frank研制的“PhonyPony”機(jī)器人[14]標(biāo)志著計算機(jī)技術(shù)控制

河北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文-3-來看該步行機(jī)器人嚴(yán)格來說只能算是一臺“機(jī)器”，不具備自主行走的能力，但WalkingTruck仍被視為四足機(jī)器人發(fā)展史上的一個重要里程碑。圖1.1WalkingTruck機(jī)器人1977年McGhee和Frank研制的“PhonyPony”機(jī)器人[14]標(biāo)志著計算機(jī)技術(shù)控制機(jī)器人的開始。該機(jī)器人單腿三自由度關(guān)節(jié)均由邏輯電路組成的狀態(tài)機(jī)組成，每個狀態(tài)的發(fā)生由前一個狀態(tài)觸發(fā)，因此其運動形式固定，運動行為受到較大的限制。直到二十世紀(jì)80年代，隨著傳感技術(shù)、驅(qū)動方式和計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，四足機(jī)器人的研究獲得了飛躍式的發(fā)展，其中日本東京工業(yè)大學(xué)、早稻田大學(xué)和美國MIT等機(jī)構(gòu)的研究最具代表性。日本東京工業(yè)大學(xué)十幾年的時間設(shè)計出了八款TITAN機(jī)器人，TITAN系列機(jī)器人如圖1.2所示。例如TITAN-Ⅲ四足機(jī)器人[15]采用足端力傳感器、位姿傳感器等集成度更高的傳感技術(shù)大大提高了機(jī)器人靜步態(tài)下的環(huán)境適應(yīng)能力；TITAN-Ⅶ四足機(jī)器人[16]主要面向傾斜地面，采用特定控制算法環(huán)境適應(yīng)能力更強(qiáng)經(jīng)過多年的積累，到1996年該校發(fā)明了性能更加優(yōu)異的第八代機(jī)器人TITAN-Ⅷ[17]，該機(jī)器人具有12個自由度，采用新型的直流電機(jī)驅(qū)動，重40公斤，同樣采用了靜步態(tài)規(guī)劃設(shè)計，速度最快可達(dá)0.9m/s。該機(jī)器人將足端力傳感器和信號處理系統(tǒng)集成到了一起，可以自動檢測足端與地面的接觸狀態(tài)，大大減輕了主控制器的工作負(fù)擔(dān)，提高了整機(jī)的工作效率。圖1.2TITAN系列機(jī)器人上世紀(jì)八十年代開始，美國MIT的Raibert團(tuán)隊相繼研制出了基于彈簧倒立擺模型（SLIP）的單足跳躍機(jī)器人以及雙足、四足機(jī)器人[18]，如圖1.3所示。該四足機(jī)器人的控制策略與單腿跳躍機(jī)器人相同都是基于虛擬腿的平衡控制策略[42]，采用液壓驅(qū)

具有主-被動變剛度柔性關(guān)節(jié)的四足機(jī)器人運動控制研究-4-動，大大提高了系統(tǒng)的負(fù)載能力，小腿處安有氣缸作為彈性緩沖元件；單腿有三個自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)溜步、對角小跑、奔跑三種步態(tài)的穩(wěn)定行走。圖1.3Raibert團(tuán)隊研制的單足、雙足以及四足機(jī)器人進(jìn)入二十世紀(jì)九十年代，四足機(jī)器人的研究逐步向從已知環(huán)境到未知環(huán)境、從結(jié)構(gòu)化環(huán)境到非結(jié)構(gòu)化環(huán)境延伸，以1998年德國研制的BISAM四足機(jī)器人[19,20]最具代表性，如圖1.4所示。該機(jī)器人整機(jī)具有16個自由度，其機(jī)身結(jié)構(gòu)特點與四足生物本身結(jié)構(gòu)比較相似。機(jī)身內(nèi)部裝有控制器、驅(qū)動器、電池和攝像頭等零件，采用多層級控制，具有一定的視覺處理能力，基本能夠?qū)崿F(xiàn)對四足機(jī)器人的實時控制。圖1.4BISAM機(jī)器人2005年美國波士頓動力公司發(fā)布了一款震驚中外的仿生四足機(jī)器人“BigDog”[21-23]，如圖1.5所示。BigDog堪稱科學(xué)理論與實踐的完美結(jié)合，“仿生”一詞開始在四足領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注。BigDog集合了機(jī)械設(shè)計、多傳感系統(tǒng)、計算機(jī)技術(shù)、控制理論、優(yōu)異算法等諸多先進(jìn)技術(shù)，被公認(rèn)為世界最佳。機(jī)身高0.9m，長1m，寬0.3m，重109kg，最大負(fù)載150kg，速度可達(dá)2.2m/s。該機(jī)器人四肢關(guān)節(jié)通過液壓驅(qū)動獲得強(qiáng)勁的動力，通過陀螺儀、加速儀等傳感器協(xié)助計算機(jī)計算分析可以自主調(diào)整機(jī)身平衡。面對雪地、冰面、崎嶇路面、山坡等復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，表現(xiàn)出了非常出色的適應(yīng)能力和自我平衡調(diào)節(jié)能力，在機(jī)動性能、負(fù)載能力、自我恢復(fù)等方面遠(yuǎn)優(yōu)于其他同期產(chǎn)品。時至現(xiàn)在BigDog的控制算法仍然是各國學(xué)者效仿的對象。到2011年，波士頓動力公司又發(fā)布了BigDog的升級版-Alphadog[24]，如圖1.6所示，該款機(jī)器人具有更強(qiáng)的負(fù)載能力和環(huán)境適應(yīng)能力。在之后，MIT研制的仿獵豹機(jī)器人Cheetah[25,26]向高

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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碩士論文
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本文編號：3238985