本文選題：四足機器人　切入點：主動柔順　出處：《山東大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：腿足式機器人是移動機器人領域的一個重要分支,與常見的輪式或履帶式移動機器人相比,腿足式機器人具有更好的移動靈活性和地形適應能力。其中四足機器人相對于單足或雙足機器人運動更加穩(wěn)定,與六足或更多足的機器人相比結(jié)構(gòu)又更加簡單,因此越來越多的學者開始重視四足機器人的研究。四足機器人在運動過程中,其足端與地面之間不可避免地會發(fā)生交互作用,加之機器人本身是一個多連桿、強耦合、時變的系統(tǒng),機器人的運動控制非常復雜。針對上述問題,本文從課題組現(xiàn)有的機器人平臺出發(fā),遵循從關節(jié)到單腿再到機器人整體運動的研究順序,控制關節(jié)輸出力矩,實現(xiàn)腿部的主動柔順,研究四足機器人對角小跑步態(tài)的穩(wěn)定運動控制。論文的主要研究內(nèi)容如下：1.針對課題組現(xiàn)有的液壓驅(qū)動單腿測試平臺,給出單腿的運動學與動力學推導過程及結(jié)果。建立關節(jié)液壓驅(qū)動器的簡化數(shù)學模型,并基于該模型控制機器人關節(jié)的輸出扭矩。在關節(jié)扭矩控制的基礎上,通過在足端構(gòu)建虛擬的“彈簧-阻尼”模型,實現(xiàn)單腿的主動柔順控制。最后借助在單腿測試平臺進行的實驗驗證了控制器的有效性。2.提出一種基于虛擬模型的四足機器人對角小跑(Trot)步態(tài)控制方法,主要包括支撐相虛擬模型控制和擺動相虛擬模型控制。在支撐相階段,建立了作用于軀干質(zhì)心的虛擬力與對角支撐腿關節(jié)扭矩之間的數(shù)學關系,通過調(diào)整軀干虛擬力的大小控制軀干的高度與姿態(tài),控制機器人前進速度和自轉(zhuǎn)角速度。在擺動相階段,將機器人側(cè)向速度控制引入到足端軌跡規(guī)劃中,并通過虛擬的“彈簧—阻尼”元件驅(qū)動擺動足沿給定軌跡運動。此外,在控制器設計過程中,引入了狀態(tài)機,用于監(jiān)控機器人各腿的狀態(tài),并輸出對角小跑步態(tài)相位切換指令。仿真實驗結(jié)果表明,機器人能夠以Trot步態(tài)在平地上進行全方位移動,跨越不平坦地形,并能夠抵抗外部沖擊。3.在四足機器人Trot步態(tài)控制的基礎上,基于虛擬模型及在線學習算法實現(xiàn)具有四足騰空相的對角小跑(Flight Trot)步態(tài)。通過改變機器人虛擬垂直彈簧的勁度系數(shù)調(diào)節(jié)機器人彈跳高度,通過控制軀干前向虛擬力控制機器人前進高度,通過控制軀干扭矩控制軀干姿態(tài)與轉(zhuǎn)向速度�；贚M在線學習算法獲得擺動腿落地點,控制機器人側(cè)向速度。在此基礎上,根據(jù)機器人運動狀態(tài)設計了擺動足運動軌跡,并引入狀態(tài)機協(xié)調(diào)各腿之間的運動。此外,還對Trot步態(tài)與Flight Trot步態(tài)之間的相互切換進行了研究。仿真實驗表明,機器人能夠以Flight Trot步態(tài)在平地上快速移動,并順利進行步態(tài)切換。4.針對采用位置控制驅(qū)動的四足機器人的Trot步態(tài)運動設計了一種控制器,建立簡化的機器人動力學模型,推導機器人足端運動與軀干姿態(tài)角之間的關系,將機器人軀干姿態(tài)與運動速度融合到足端運動規(guī)劃中,并疊加機器人轉(zhuǎn)向運動控制,使機器人能夠穩(wěn)定地以Trot步態(tài)運動。該方法的有效性通過仿真實驗以及LittleCalf物理樣機進行了驗證。
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【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP242

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本文編號：1568233