【摘要】：四足機(jī)器人具有良好的環(huán)境適應(yīng)性和運(yùn)動(dòng)靈活性,可以廣泛運(yùn)用于軍事、工業(yè)、生活等各個(gè)方面,成為機(jī)器人研究領(lǐng)域中的熱點(diǎn)問(wèn)題。論文在前人研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了具有柔性脊柱的四足機(jī)器人,建立了其動(dòng)力學(xué)模型,分析了bound步態(tài)下模型的被動(dòng)運(yùn)動(dòng)特性,研究了機(jī)身長(zhǎng)度、慣量和剛度參數(shù)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能和穩(wěn)定性的影響,完成了結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化,提出了機(jī)器人常用步態(tài)的控制方法。獵豹被認(rèn)為是速度最快的四足哺乳動(dòng)物,本文從仿生學(xué)角度出發(fā),參考獵豹的骨骼構(gòu)型和運(yùn)動(dòng)方式,開(kāi)發(fā)HUST cheetah四足機(jī)器人。依照獵豹的骨骼結(jié)構(gòu)特點(diǎn),構(gòu)建四足機(jī)器人的基本構(gòu)型框架。分析在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下獵豹的受力特性,提出四足機(jī)器人基本設(shè)計(jì)原則。仿生學(xué)研究發(fā)現(xiàn)動(dòng)物在運(yùn)功過(guò)程中,關(guān)節(jié)之間存在很大的相關(guān)性,利用主成份分析法(Principal Component Analysis)探究獵豹運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各個(gè)關(guān)節(jié)間的相關(guān)性,耦合具有相關(guān)性的關(guān)節(jié),減少了機(jī)器人主動(dòng)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)數(shù)量,優(yōu)化機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上,提出了HUST cheetah四足機(jī)器人的設(shè)計(jì)原理和整體設(shè)計(jì)方案。觀察獵豹bound步態(tài)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),通過(guò)合理假設(shè)與簡(jiǎn)化,建立具柔性脊柱的四足機(jī)器人在bound步態(tài)下的動(dòng)力學(xué)模型。為了減少該模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)變量、使模型更具有一般性,對(duì)模型進(jìn)行了無(wú)量綱化處理。采用龐加萊映射方法研究此模型的被動(dòng)動(dòng)力學(xué),利用牛頓-拉弗遜方法提出了模型不動(dòng)點(diǎn)求解方法。分析了在不動(dòng)點(diǎn)下模型的被動(dòng)運(yùn)動(dòng)特性,提出了不動(dòng)點(diǎn)穩(wěn)定性的判定方法,為結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和控制研究提供理論基礎(chǔ)。穩(wěn)定性研究發(fā)現(xiàn)合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)是決定機(jī)器人穩(wěn)定性的關(guān)鍵。以提高具柔性脊柱的四足機(jī)器人在不動(dòng)點(diǎn)處的運(yùn)動(dòng)性能和穩(wěn)定性為優(yōu)化目標(biāo),提出了同一系統(tǒng)能量狀態(tài)下不動(dòng)點(diǎn)的搜索方法,分析在同一能量狀態(tài)下機(jī)器人脊柱長(zhǎng)度、慣量和剛度對(duì)不動(dòng)點(diǎn)穩(wěn)定性的影響,得出了腿部剛度和脊柱剛度是決定具柔性脊柱的四足機(jī)器人穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素,進(jìn)而完成了四足機(jī)器人長(zhǎng)度、慣量和剛度優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析了非對(duì)稱(chēng)前后脊柱參數(shù)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能和穩(wěn)定性的影響,研究發(fā)現(xiàn)合理降低前后脊柱質(zhì)量比既保證了穩(wěn)定性又提升了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能,據(jù)此完成了非對(duì)稱(chēng)前后脊柱參數(shù)的優(yōu)化。此外剛性脊柱模型和柔性脊柱模型的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),柔性脊柱能夠提高四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能。基于被動(dòng)動(dòng)力學(xué)研究結(jié)論可知,在理想情況下機(jī)器人能夠在無(wú)需借助外界驅(qū)動(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)定的周期運(yùn)動(dòng)。然而由于摩擦、外界干擾等因素的影響,機(jī)器人很難持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。為使HUST cheetah機(jī)器人能夠按照被動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng),本文構(gòu)建了基于機(jī)器人被動(dòng)動(dòng)力學(xué)的分層控制器。在高層控制器中,利用被動(dòng)動(dòng)力學(xué),提出了基于目標(biāo)狀態(tài)的關(guān)節(jié)控制方法。在底層控制器中,提出了基于位置和速度閉環(huán)的PD力矩控制,并通過(guò)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了控制算法的有效性。此外,獵豹常用步態(tài)除了適合高速運(yùn)動(dòng)的bound步態(tài)外,還有適合低速運(yùn)動(dòng)的tort步態(tài),本文還提出了基于彈簧倒立擺模型(SLIP)的HUST cheetah機(jī)器人tort步態(tài)控制方法。在上述理論分析與研究基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)了具有柔性脊柱的四足機(jī)器人HUST cheetah,完成了步態(tài)運(yùn)動(dòng)和理論驗(yàn)證試驗(yàn),證明了HUST cheetah機(jī)器人高速穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)能力。
[Abstract]:Quadruped robot has good environmental adaptability and motion flexibility, and can be widely used in military, industrial, life and other aspects. It has become a hot issue in the field of robot research. Based on previous studies, a quadruped robot with flexible spine is designed, its dynamic model is established, and its bound gait is analyzed. The passive motion characteristics of the model are studied. The effects of the fuselage length, inertia and stiffness parameters on the motion performance and stability of the robot are studied. The structure parameters are optimized and the gait control methods are proposed. The cheetah is considered to be the fastest quadruped mammal. From the bionics point of view, the cheetah's skeleton is referred to. HUST cheetah quadruped robot is developed in this paper. According to the characteristics of the cheetah's skeleton structure, the basic configuration frame of the quadruped robot is constructed. Principal Component Analysis (PCA) is used to explore the correlation between the joints in the process of cheetah movement, coupling the related joints, reducing the number of active driving joints and optimizing the mechanical structure of the robot. On this basis, the design principle and the whole of HUST cheetah quadruped robot are proposed. A dynamic model of a quadruped robot with a flexible spine under bound gait is established by observing the kinematic characteristics of the leopard bound gait. In order to reduce the structural parameters of the model and make the model more general, the model is dimensionless. The Poincare mapping method is used to study this problem. The passive dynamics of the model is solved by Newton-Raphson method. The passive motion characteristics of the model at the fixed point are analyzed. A method for determining the stability of the fixed point is proposed. It provides a theoretical basis for the optimization and control of structural parameters. To improve the motion performance and stability of a quadruped robot with a flexible spine at a fixed point, a method of searching fixed points under the same system energy state is proposed. The influence of the length, inertia and stiffness of the robot spine on the stability of the fixed point under the same energy state is analyzed, and the leg stiffness is obtained. Degree and spinal stiffness are the key factors to determine the stability of a quadruped robot with a flexible spine, and then the length, inertia and stiffness of the quadruped robot are optimized. The stability of the robot is guaranteed and the motion performance of the robot is improved. The optimization of the parameters of the asymmetrical front and rear spines is accomplished. In addition, the comparison between the rigid spine model and the flexible spine model shows that the flexible spine can improve the motion performance of the quadruped robot. It can realize self-stable periodic motion without external drive. However, it is difficult for the robot to move steadily because of friction and external disturbance. In order to make the HUST cheetah robot move steadily in passive mode, a hierarchical control based on passive dynamics is proposed. In the high-level controller, a joint control method based on target state is proposed by using passive dynamics. In the low-level controller, a closed-loop PD torque control based on position and speed is proposed, and the effectiveness of the control algorithm is verified by simulation experiments. Besides the bound gait which is suitable for high-speed movement, the common gait of cheetah is also presented. A tort gait control method based on the spring inverted pendulum model (SLIP) is proposed for the tort gait control of the HUST cheetah robot. On the basis of the above theoretical analysis and research, a quadruped robot with a flexible spine, HUST cheetah, is developed. The gait motion and theoretical validation tests are completed, and the HUST cheetah machine is proved. The robot has high speed and stable movement ability.
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TP242

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本文編號(hào)：2242400