發(fā)布時間：2021-06-20 10:03

　　四足機器人擁有靈活的運動形式和優(yōu)異的地面適應能力,近年來一直是機器人研究領域的熱點,擁有廣闊的應用前景。由于工作環(huán)境的未知復雜性,傳統(tǒng)的剛性四足機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,本文設計了一款基于主-被動變剛度柔性關節(jié)apVSJ（Active and Passive Variable Stiffness Joint）的四足仿生機器人樣機,并以提高在未知復雜環(huán)境下的自適應能力為目標開展了四足機器人自適應穩(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:1.四足機器人模型建立。首先對帶有apVSJ的單腿進行了簡化假設,然后進行了數(shù)學模型分析,運用拉格朗日法建立了單腿的動力學方程。建立了由直流伺服電機、諧波減速器、apVSJ和負載組成的電驅(qū)動單元數(shù)學模型,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,設計了一款能夠?qū)崿F(xiàn)四足機器人在未知復雜環(huán)境下運動的控制策略。通過Simulink-AD... 

【文章來源】：河北工業(yè)大學天津市 211工程院校

【文章頁數(shù)】：82 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

WalkingTruck機器人1977年McGhee和Frank研制的“PhonyPony”機器人[14]標志著計算機技術(shù)控制

河北工業(yè)大學碩士學位論文-3-來看該步行機器人嚴格來說只能算是一臺“機器”，不具備自主行走的能力，但WalkingTruck仍被視為四足機器人發(fā)展史上的一個重要里程碑。圖1.1WalkingTruck機器人1977年McGhee和Frank研制的“PhonyPony”機器人[14]標志著計算機技術(shù)控制機器人的開始。該機器人單腿三自由度關節(jié)均由邏輯電路組成的狀態(tài)機組成，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80年代，隨著傳感技術(shù)、驅(qū)動方式和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，四足機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、早稻田大學和美國MIT等機構(gòu)的研究最具代表性。日本東京工業(yè)大學十幾年的時間設計出了八款TITAN機器人，TITAN系列機器人如圖1.2所示。例如TITAN-Ⅲ四足機器人[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)大大提高了機器人靜步態(tài)下的環(huán)境適應能力；TITAN-Ⅶ四足機器人[16]主要面向傾斜地面，采用特定控制算法環(huán)境適應能力更強經(jīng)過多年的積累，到1996年該校發(fā)明了性能更加優(yōu)異的第八代機器人TITAN-Ⅷ[17]，該機器人具有12個自由度，采用新型的直流電機驅(qū)動，重40公斤，同樣采用了靜步態(tài)規(guī)劃設計，速度最快可達0.9m/s。該機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擔，提高了整機的工作效率。圖1.2TITAN系列機器人上世紀八十年代開始，美國MIT的Raibert團隊相繼研制出了基于彈簧倒立擺模型（SLIP）的單足跳躍機器人以及雙足、四足機器人[18]，如圖1.3所示。該四足機器人的控制策略與單腿跳躍機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-被動變剛度柔性關節(jié)的四足機器人運動控制研究-4-動，大大提高了系統(tǒng)的負載能力，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團隊研制的單足、雙足以及四足機器人進入二十世紀九十年代，四足機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四足機器人[19,20]最具代表性，如圖1.4所示。該機器人整機具有16個自由度，其機身結(jié)構(gòu)特點與四足生物本身結(jié)構(gòu)比較相似。機身內(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)對四足機器人的實時控制。圖1.4BISAM機器人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器人“BigDog”[21-23]，如圖1.5所示。BigDog堪稱科學理論與實踐的完美結(jié)合，“仿生”一詞開始在四足領域得到廣泛關注。BigDog集合了機械設計、多傳感系統(tǒng)、計算機技術(shù)、控制理論、優(yōu)異算法等諸多先進技術(shù)，被公認為世界最佳。機身高0.9m，長1m，寬0.3m，重109kg，最大負載150kg，速度可達2.2m/s。該機器人四肢關節(jié)通過液壓驅(qū)動獲得強勁的動力，通過陀螺儀、加速儀等傳感器協(xié)助計算機計算分析可以自主調(diào)整機身平衡。面對雪地、冰面、崎嶇路面、山坡等復雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，表現(xiàn)出了非常出色的適應能力和自我平衡調(diào)節(jié)能力，在機動性能、負載能力、自我恢復等方面遠優(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，該款機器人具有更強的負載能力和環(huán)境適應能力。在之后，MIT研制的仿獵豹機器人Cheetah[25,26]向高

【參考文獻】：
期刊論文
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[5]四足機器人步態(tài)規(guī)劃[J]. 孫志遠,楊思源.  黑龍江大學自然科學學報. 2017(06)
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[10]基于虛擬模型控制的四足機器人緩沖策略[J]. 劉斌,榮學文,柴匯.  機器人. 2016(06)

博士論文
[1]基于SLIP模型的四足機器人對角小跑步態(tài)控制研究[D]. 蔣振宇.哈爾濱工業(yè)大學 2014
[2]基于SLIP歸約模型的足式機器人動步態(tài)控制研究[D]. 于海濤.哈爾濱工業(yè)大學 2014
[3]四足機器人穩(wěn)定行走規(guī)劃及控制技術(shù)研究[D]. 王鵬飛.哈爾濱工業(yè)大學 2007

碩士論文
[1]四足仿生機器人跑跳運動規(guī)劃與控制[D]. 李川.浙江大學 2017
[2]基于SLIP的四足機器人對角小跑運動控制仿真研究[D]. 周博.華中科技大學 2014



本文編號：3238985