本文關(guān)鍵詞：氣動(dòng)肌肉四足機(jī)器人機(jī)構(gòu)建模與運(yùn)動(dòng)控制

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【摘要】：氣動(dòng)肌肉作為一種新型的具有仿生物肌肉特性的驅(qū)動(dòng)器,正越來越多的被應(yīng)用到足式機(jī)器人的研究中。本文在總結(jié)現(xiàn)有四足機(jī)器人機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上,從仿生的角度出發(fā),設(shè)計(jì)了一款氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的四足機(jī)器人,并對(duì)其運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行了研究。首先,在分析了自然界中四足生物關(guān)節(jié)配置形式的基礎(chǔ)上,選擇四足哺乳動(dòng)物作為仿生對(duì)象,經(jīng)過對(duì)腿部關(guān)節(jié)數(shù)目以及自由度進(jìn)行適當(dāng)簡化,確定了機(jī)器人最終的關(guān)節(jié)配置形式;以德國牧羊犬的部分體形參數(shù)為參考,設(shè)計(jì)了兩個(gè)拮抗式氣動(dòng)肌肉關(guān)節(jié)串聯(lián)的二自由度腿部機(jī)構(gòu),并利用SolidWorks軟件完成了機(jī)器人三維模型的整機(jī)裝配;通過分析氣動(dòng)肌肉預(yù)收縮量與關(guān)節(jié)最大擺角的關(guān)系,對(duì)氣動(dòng)肌肉進(jìn)行了選型;設(shè)計(jì)了機(jī)器人的控制系統(tǒng),選取了系統(tǒng)的控制元件;對(duì)旋轉(zhuǎn)電位器進(jìn)行了標(biāo)定實(shí)驗(yàn),擬合得到其輸出電壓與轉(zhuǎn)動(dòng)角度的關(guān)系曲線。然后,建立了氣動(dòng)肌肉四足機(jī)器人單關(guān)節(jié)及單腿的拉格朗日動(dòng)力學(xué)模型;設(shè)計(jì)了單關(guān)節(jié)及單腿的PID控制算法和滑模變結(jié)構(gòu)控制(SMC)算法,利用MATLAB/Simulink分別搭建了仿真平臺(tái),并進(jìn)行了單關(guān)節(jié)擺角的階躍響應(yīng)仿真、曲線跟蹤仿真以及單腿擺動(dòng)的曲線跟蹤仿真;利用C++實(shí)現(xiàn)了PID控制和SMC控制算法,并開發(fā)了單關(guān)節(jié)及單腿擺動(dòng)控制的VC++界面,進(jìn)行了單關(guān)節(jié)擺角的階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)、曲線跟蹤實(shí)驗(yàn)以及單腿的曲線跟蹤實(shí)驗(yàn),并對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。最后,選用全肘式關(guān)節(jié)配置形式,制作了氣動(dòng)肌肉四足機(jī)器人樣機(jī),搭建了步態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái);設(shè)計(jì)了對(duì)角步態(tài)(trot)各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)函數(shù),進(jìn)行了機(jī)器人的步態(tài)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可完成四條腿的擺動(dòng)控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)角步態(tài),所設(shè)計(jì)的機(jī)器人機(jī)構(gòu)具備一定的行走能力。
【關(guān)鍵詞】：氣動(dòng)肌肉(PM) 四足機(jī)器人 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) PID 滑模變結(jié)構(gòu)控制(SMC)
【學(xué)位授予單位】：中國計(jì)量學(xué)院
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP242
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-16
• 1 緒論16-30
• 1.1 課題背景16-17
• 1.2 氣動(dòng)肌肉研究現(xiàn)狀17-19
• 1.2.1 氣動(dòng)肌肉發(fā)展歷程17-18
• 1.2.2 氣動(dòng)肌肉控制方法研究現(xiàn)狀18-19
• 1.3 四足機(jī)器人研究現(xiàn)狀19-29
• 1.3.1 四足機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式概述19-25
• 1.3.2 氣動(dòng)肌肉四足機(jī)器人研究現(xiàn)狀25-29
• 1.4 主要研究內(nèi)容29-30
• 2 氣動(dòng)肌肉四足機(jī)器人機(jī)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)30-45
• 2.1 氣動(dòng)肌肉四足機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)30-37
• 2.1.1 四足機(jī)器人關(guān)節(jié)配置形式30-31
• 2.1.2 四足機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)31-34
• 2.1.3 氣動(dòng)肌肉選型34-37
• 2.2 氣動(dòng)肌肉四足機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)37-44
• 2.2.1 控制系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)37-38
• 2.2.2 控制閥選型38-39
• 2.2.3 角度傳感器選型39-42
• 2.2.4 數(shù)據(jù)采集卡選型42-44
• 2.3 本章小結(jié)44-45
• 3 氣動(dòng)肌肉關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)建模與PID控制45-64
• 3.1 氣動(dòng)肌肉關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)建模45-50
• 3.1.1 單關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)建模45-47
• 3.1.2 單腿動(dòng)力學(xué)建模47-50
• 3.2 關(guān)節(jié)PID控制仿真50-56
• 3.2.1 單關(guān)節(jié)PID控制原理50-51
• 3.2.2 單關(guān)節(jié)PID控制仿真51-54
• 3.2.3 單腿PID控制仿真54-56
• 3.3 關(guān)節(jié)PID控制實(shí)驗(yàn)56-63
• 3.3.1 單關(guān)節(jié)PID控制實(shí)現(xiàn)56-58
• 3.3.2 單關(guān)節(jié)PID控制實(shí)驗(yàn)及分析58-60
• 3.3.3 單腿PID控制實(shí)現(xiàn)60-61
• 3.3.4 單腿PID控制實(shí)驗(yàn)及分析61-63
• 3.4 本章小結(jié)63-64
• 4 氣動(dòng)肌肉關(guān)節(jié)滑模變結(jié)構(gòu)控制64-82
• 4.1 滑模變結(jié)構(gòu)控制原理64-66
• 4.1.1 滑模變結(jié)構(gòu)理論概述及特點(diǎn)64
• 4.1.2 抖振問題64-65
• 4.1.3 滑模變結(jié)構(gòu)控制原理65-66
• 4.2 關(guān)節(jié)滑模變結(jié)構(gòu)控制仿真66-73
• 4.2.1 單關(guān)節(jié)控制器設(shè)計(jì)66-67
• 4.2.2 單關(guān)節(jié)滑模變結(jié)構(gòu)控制仿真67-69
• 4.2.3 單腿控制器設(shè)計(jì)69-70
• 4.2.4 單腿滑模變結(jié)構(gòu)控制仿真70-73
• 4.3 關(guān)節(jié)滑模變結(jié)構(gòu)控制實(shí)驗(yàn)73-80
• 4.3.1 單關(guān)節(jié)滑模變結(jié)構(gòu)控制實(shí)驗(yàn)73-76
• 4.3.2 單腿滑模變結(jié)構(gòu)控制實(shí)驗(yàn)76-79
• 4.3.3 單關(guān)節(jié)PID與滑模變結(jié)構(gòu)控制實(shí)驗(yàn)對(duì)比79-80
• 4.4 本章小結(jié)80-82
• 5 氣動(dòng)肌肉四足機(jī)器人行走實(shí)驗(yàn)82-87
• 5.1 行走實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建82-83
• 5.2 對(duì)角步態(tài)行走實(shí)驗(yàn)83-86
• 5.2.1 對(duì)角步態(tài)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)函數(shù)83-84
• 5.2.2 行走實(shí)驗(yàn)84-86
• 5.3 本章小結(jié)86-87
• 6 總結(jié)與展望87-89
• 6.1 總結(jié)87-88
• 6.2 展望88-89
• 參考文獻(xiàn)89-94
• 作者簡歷94

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本文編號(hào)：702307