本文關鍵詞：氣動肌肉四足機器人機構建模與運動控制

  更多相關文章： 氣動肌肉(PM) 四足機器人 機構設計 PID 滑模變結構控制(SMC)

【摘要】：氣動肌肉作為一種新型的具有仿生物肌肉特性的驅動器,正越來越多的被應用到足式機器人的研究中。本文在總結現(xiàn)有四足機器人機構的基礎上,從仿生的角度出發(fā),設計了一款氣動肌肉驅動的四足機器人,并對其運動控制進行了研究。首先,在分析了自然界中四足生物關節(jié)配置形式的基礎上,選擇四足哺乳動物作為仿生對象,經過對腿部關節(jié)數(shù)目以及自由度進行適當簡化,確定了機器人最終的關節(jié)配置形式;以德國牧羊犬的部分體形參數(shù)為參考,設計了兩個拮抗式氣動肌肉關節(jié)串聯(lián)的二自由度腿部機構,并利用SolidWorks軟件完成了機器人三維模型的整機裝配;通過分析氣動肌肉預收縮量與關節(jié)最大擺角的關系,對氣動肌肉進行了選型;設計了機器人的控制系統(tǒng),選取了系統(tǒng)的控制元件;對旋轉電位器進行了標定實驗,擬合得到其輸出電壓與轉動角度的關系曲線。然后,建立了氣動肌肉四足機器人單關節(jié)及單腿的拉格朗日動力學模型;設計了單關節(jié)及單腿的PID控制算法和滑模變結構控制(SMC)算法,利用MATLAB/Simulink分別搭建了仿真平臺,并進行了單關節(jié)擺角的階躍響應仿真、曲線跟蹤仿真以及單腿擺動的曲線跟蹤仿真;利用C++實現(xiàn)了PID控制和SMC控制算法,并開發(fā)了單關節(jié)及單腿擺動控制的VC++界面,進行了單關節(jié)擺角的階躍響應實驗、曲線跟蹤實驗以及單腿的曲線跟蹤實驗,并對相關實驗結果進行了對比。最后,選用全肘式關節(jié)配置形式,制作了氣動肌肉四足機器人樣機,搭建了步態(tài)實驗平臺;設計了對角步態(tài)(trot)各關節(jié)的驅動函數(shù),進行了機器人的步態(tài)實驗。結果表明,機器人運動控制系統(tǒng)可完成四條腿的擺動控制,實現(xiàn)對角步態(tài),所設計的機器人機構具備一定的行走能力。
【關鍵詞】：氣動肌肉(PM) 四足機器人 機構設計 PID 滑模變結構控制(SMC)
【學位授予單位】：中國計量學院
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：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 氣動肌肉研究現(xiàn)狀17-19
• 1.2.1 氣動肌肉發(fā)展歷程17-18
• 1.2.2 氣動肌肉控制方法研究現(xiàn)狀18-19
• 1.3 四足機器人研究現(xiàn)狀19-29
• 1.3.1 四足機器人驅動方式概述19-25
• 1.3.2 氣動肌肉四足機器人研究現(xiàn)狀25-29
• 1.4 主要研究內容29-30
• 2 氣動肌肉四足機器人機構與控制系統(tǒng)設計30-45
• 2.1 氣動肌肉四足機器人機構設計30-37
• 2.1.1 四足機器人關節(jié)配置形式30-31
• 2.1.2 四足機器人機構設計31-34
• 2.1.3 氣動肌肉選型34-37
• 2.2 氣動肌肉四足機器人控制系統(tǒng)設計37-44
• 2.2.1 控制系統(tǒng)原理設計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44-45
• 3 氣動肌肉關節(jié)動力學建模與PID控制45-64
• 3.1 氣動肌肉關節(jié)動力學建模45-50
• 3.1.1 單關節(jié)動力學建模45-47
• 3.1.2 單腿動力學建模47-50
• 3.2 關節(jié)PID控制仿真50-56
• 3.2.1 單關節(jié)PID控制原理50-51
• 3.2.2 單關節(jié)PID控制仿真51-54
• 3.2.3 單腿PID控制仿真54-56
• 3.3 關節(jié)PID控制實驗56-63
• 3.3.1 單關節(jié)PID控制實現(xiàn)56-58
• 3.3.2 單關節(jié)PID控制實驗及分析58-60
• 3.3.3 單腿PID控制實現(xiàn)60-61
• 3.3.4 單腿PID控制實驗及分析61-63
• 3.4 本章小結63-64
• 4 氣動肌肉關節(jié)滑模變結構控制64-82
• 4.1 滑模變結構控制原理64-66
• 4.1.1 滑模變結構理論概述及特點64
• 4.1.2 抖振問題64-65
• 4.1.3 滑模變結構控制原理65-66
• 4.2 關節(jié)滑模變結構控制仿真66-73
• 4.2.1 單關節(jié)控制器設計66-67
• 4.2.2 單關節(jié)滑模變結構控制仿真67-69
• 4.2.3 單腿控制器設計69-70
• 4.2.4 單腿滑模變結構控制仿真70-73
• 4.3 關節(jié)滑模變結構控制實驗73-80
• 4.3.1 單關節(jié)滑模變結構控制實驗73-76
• 4.3.2 單腿滑模變結構控制實驗76-79
• 4.3.3 單關節(jié)PID與滑模變結構控制實驗對比79-80
• 4.4 本章小結80-82
• 5 氣動肌肉四足機器人行走實驗82-87
• 5.1 行走實驗平臺的搭建82-83
• 5.2 對角步態(tài)行走實驗83-86
• 5.2.1 對角步態(tài)關節(jié)驅動函數(shù)83-84
• 5.2.2 行走實驗84-86
• 5.3 本章小結86-87
• 6 總結與展望87-89
• 6.1 總結87-88
• 6.2 展望88-89
• 參考文獻89-94
• 作者簡歷94

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本文編號：702307