【摘要】：作為陸地上進(jìn)化完善、富有特色的生物種群,四足哺乳動(dòng)物在運(yùn)動(dòng)屬性方面有著高動(dòng)力性、高適應(yīng)性、高穩(wěn)定性、高負(fù)載能力等眾多優(yōu)點(diǎn),它們幾乎可以到達(dá)地球陸地上的任何區(qū)域。四足哺乳動(dòng)物優(yōu)異的運(yùn)動(dòng)屬性使越來(lái)越多的科學(xué)工作者對(duì)其開(kāi)展仿生學(xué)研究,希望能夠設(shè)計(jì)、制作出同樣具備類(lèi)似四足動(dòng)物強(qiáng)大運(yùn)動(dòng)能力的仿生四足機(jī)器人,并使這些機(jī)器人在軍事偵察、資源勘測(cè)、物資運(yùn)輸和災(zāi)難救援等眾多領(lǐng)域發(fā)揮作用。從本質(zhì)上分析,四足機(jī)器人屬于多學(xué)科、多專(zhuān)業(yè)、多領(lǐng)域的融合產(chǎn)物,其研究?jī)?nèi)容涵蓋了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、步態(tài)規(guī)劃、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)傳遞、傳感探測(cè)、信息處理、運(yùn)籌決策、系統(tǒng)控制等多個(gè)方面,包含著機(jī)器人研究領(lǐng)域的眾多熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。本文針對(duì)四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)存在的技術(shù)難題——多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)控制、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性控制,以及動(dòng)力系統(tǒng)能耗控制,對(duì)某液壓四足機(jī)器人的仿生機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)控制理論與方法、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)建、液壓伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題展開(kāi)了系統(tǒng)研究與深入探索,為機(jī)器人的整體完善與后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。通過(guò)廣泛查閱與合理借鑒國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)及其成果,本文在對(duì)多種四足哺乳動(dòng)物進(jìn)行仿生學(xué)研究的基礎(chǔ)上,提煉出可供四足機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)所借鑒的仿生學(xué)規(guī)律;對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方法進(jìn)行對(duì)比與分析,總結(jié)簡(jiǎn)捷有效的控制規(guī)律。針對(duì)負(fù)載型四足機(jī)器人的設(shè)計(jì)目標(biāo),對(duì)機(jī)器人腿節(jié)數(shù)量、關(guān)節(jié)擺角、液壓缸安裝位置和工作行程等機(jī)構(gòu)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。建立兩腿節(jié)全內(nèi)彎式液壓四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和基于動(dòng)態(tài)平衡的動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)化模型。提出了一種結(jié)合分層遞階控制體系結(jié)構(gòu)和分布式控制體系結(jié)構(gòu)的四足機(jī)器人復(fù)合式仿生運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)方案,作為機(jī)器人控制系統(tǒng)。明確動(dòng)力系統(tǒng)-電液伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)和控制目標(biāo);搭建四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力和控制三大部分的仿真模型平臺(tái),并建立三者協(xié)同工作的聯(lián)合仿真模型。在上述工作的支撐下,本文建立了四足機(jī)器人Trot步態(tài)動(dòng)力學(xué)模型,并據(jù)此提供了四足機(jī)器人存在能耗最優(yōu)步長(zhǎng)的理論依據(jù);繼而對(duì)四足機(jī)器人進(jìn)行了具有足端換相零沖擊特點(diǎn)的復(fù)合擺線與更為靈活設(shè)置的貝塞爾曲線足端軌跡規(guī)劃;通過(guò)大量仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)兩種足端軌跡進(jìn)行速度、穩(wěn)定性、能耗的分析和對(duì)比,對(duì)機(jī)器人邁步參數(shù)如步態(tài)、步長(zhǎng)、周期、抬腳高度等變化對(duì)機(jī)器人產(chǎn)生的影響進(jìn)行了分析;在保證機(jī)器人穩(wěn)定行走的前提下,研究了基于能耗最優(yōu)的參數(shù)設(shè)置。本文還針對(duì)機(jī)器人不同步態(tài)能耗最優(yōu)步長(zhǎng)不同的結(jié)論,設(shè)計(jì)出一種基于速度的步態(tài)轉(zhuǎn)換控制策略。針對(duì)基于模型的機(jī)器人步態(tài)控制方法建模復(fù)雜、單周期規(guī)劃、機(jī)器人環(huán)境適應(yīng)性差等缺點(diǎn),本文深入分析了足端軌跡規(guī)劃中,各足端與機(jī)體重心的位置關(guān)系,結(jié)合仿生觀察和CPG步態(tài)轉(zhuǎn)換的理論,設(shè)計(jì)了由足端軌跡和機(jī)體重心軌跡共同規(guī)劃四足機(jī)器人靜止?fàn)顟B(tài)與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換、步態(tài)間的轉(zhuǎn)換方式,并設(shè)計(jì)出機(jī)器人步長(zhǎng)和周期連續(xù)改變的控制方法。與此同時(shí),本文還對(duì)附著力變化、坡度變化和地面起伏等外部環(huán)境變化對(duì)機(jī)器人的影響及其應(yīng)對(duì)策略進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì);且根據(jù)動(dòng)物的坡面運(yùn)動(dòng)規(guī)律,計(jì)算了關(guān)節(jié)平衡位置改變量與坡度之間的關(guān)系;為了改善機(jī)器人的行走效率,本文利用貝塞爾曲線的性質(zhì),合理利用打滑情況,并設(shè)計(jì)機(jī)器人跨步越障方法和探步越障方法,拓展了機(jī)器人正向行走的工作范圍,保證機(jī)器人能夠平順的行走。本文通過(guò)合理選型與仔細(xì)核對(duì),搭建了機(jī)器人電液伺服系統(tǒng)平臺(tái),通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)分析了電液伺服系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)伺服控制領(lǐng)域的特征問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種模糊自適應(yīng)前饋補(bǔ)償?shù)腜ID算法及模糊前饋控制器,保證在大誤差情況下能夠?qū)崿F(xiàn)類(lèi)似bang-bang控制的效果;本文還建立了五次樣條曲線的軌跡規(guī)劃差補(bǔ)算法,保證液壓缸運(yùn)動(dòng)速度連續(xù)平滑,加速度連續(xù)。最后,本文研制搭建了四足機(jī)器人物理樣機(jī),并使用復(fù)合擺線軌跡規(guī)劃的Trot步態(tài)對(duì)控制方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人滿(mǎn)意。本文的研究?jī)?nèi)容與研究成果對(duì)四足機(jī)器人的理論研究與技術(shù)探索具有借鑒意義及參考價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TP242
【圖文】：

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圖 2.8 四足機(jī)器人 Trot步態(tài)行走過(guò)程力分布示意圖機(jī)器人機(jī)體在機(jī)體坐標(biāo)系的俯仰、橫滾和偏轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)力矩平衡方程分別為：LF LF RH RH LF LF RH RHN x = N x + f y + f y(2.31)LF LF RH RHN z = N z(2.32)LF LF RH RHf z = f z(2.33)其中，x，y，z 均為各足端在機(jī)體坐標(biāo)系的坐標(biāo)；若此時(shí)刻機(jī)體保持平衡狀態(tài)，且腿全部為正擺，則有LF=x L / 2 + S/ 4，RHx = L / 2 + S/ 4，LF RHy = y = H，LF RHz = z =L'/ 2。S 為當(dāng)前邁步的步長(zhǎng)，在第四章有詳細(xì)介紹。由式(2.30)和(2.32)解得LF RHN = N = Mg/ 2(2.34)由于模型中摩擦力和驅(qū)動(dòng)力相等，將式(2.29)和(2.34)代入式(2.31)，得

4.18 Trot與 Walk 步態(tài)足端與機(jī)體的相對(duì)位置比較(相同速度、步長(zhǎng))在進(jìn)行步態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，通常的做法是邁步的速度基本不變，拍步態(tài) Trot，周期減小一半，對(duì)照?qǐng)D 4.7 和圖 4.16，得到 如圖 4.19 所示，由于步態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系周期的比例，Trot 的周面相交曲線即為能效值最低的步態(tài)轉(zhuǎn)換狀態(tài)，即本文機(jī)器置對(duì)步態(tài)的選擇進(jìn)行判斷，即比相交曲線更低速狀態(tài)下，宜用 Trot 步態(tài)。

本文編號(hào)：2748086