本文關(guān)鍵詞：氣動(dòng)單足機(jī)器人垂直跳躍動(dòng)態(tài)特性的研究

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【摘要】：足式行走型機(jī)器人所獨(dú)有的小面積支撐、交叉跨步、跳躍越障的特點(diǎn)使其在占地廣闊的田間、山地、廢墟、戰(zhàn)場(chǎng)等復(fù)雜惡劣環(huán)境中行進(jìn)時(shí)具有輪式機(jī)器人無(wú)法比擬的優(yōu)越性,足式機(jī)器人行進(jìn)時(shí)支撐約束的多變以及與重心位置的復(fù)雜關(guān)系經(jīng)常使其處于靜態(tài)不穩(wěn)定狀態(tài),而單足機(jī)器人是足式機(jī)器人中靜態(tài)最不穩(wěn)定的系統(tǒng),研究單足機(jī)器人的跳躍能力和全局運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性對(duì)足式機(jī)器人的發(fā)展具有重大的理論意義和實(shí)際價(jià)值。實(shí)現(xiàn)單足機(jī)器人自平衡穩(wěn)定跳躍的關(guān)鍵技術(shù)包括具有較強(qiáng)緩沖能力與爆發(fā)力的跳躍技術(shù)和機(jī)身姿態(tài)檢測(cè)與調(diào)整技術(shù)。針對(duì)由機(jī)身和通過(guò)球鉸與之連接的彈跳腿組成的單足跳躍機(jī)器人,分析了用于調(diào)節(jié)彈跳腿相對(duì)機(jī)身擺動(dòng)時(shí)擺角和方位角的伺服液壓缸與機(jī)身和彈跳腿的連接方案,通過(guò)分析彈跳腿相對(duì)機(jī)身運(yùn)動(dòng)時(shí)各特征點(diǎn)所組成的直線和平面之間的幾何關(guān)系,運(yùn)用空間解析幾何向量代數(shù)的運(yùn)算法則,建立在兩個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)下彈跳腿相對(duì)機(jī)身擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解和正解方程。設(shè)計(jì)了由四個(gè)超聲波傳感器組成的機(jī)身姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)和兩個(gè)伺服液壓缸組成的機(jī)身姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng),通過(guò)MATLAB仿真和SOLIDWORKS三維圖解驗(yàn)證所做理論分析、動(dòng)態(tài)建模和仿真結(jié)果的正確性。依據(jù)動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)和自動(dòng)控制的基本理論,建立基于能量控制的氣動(dòng)位置伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。通過(guò)對(duì)氣缸活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律和氣體作用規(guī)律的分析,建立氣缸的動(dòng)力學(xué)方程、能量方程、流量方程、溫度方程和摩擦力方程,使用能量差PD算法控制活塞的定位過(guò)程。在MATLAB上建立騰空相彈跳腿氣動(dòng)位置伺服系統(tǒng)仿真模型并對(duì)活塞的定位過(guò)程和定位精度進(jìn)行仿真研究。綜合應(yīng)用動(dòng)力學(xué)、碰撞和自動(dòng)控制理論以及氣動(dòng)伺服系統(tǒng)研究成果,建立單足機(jī)器人落地碰撞、觸地相、起跳沖擊和騰空相運(yùn)動(dòng)過(guò)程數(shù)學(xué)模型和垂直跳躍綜合動(dòng)態(tài)模型,在MATLAB上建立和調(diào)試聯(lián)合仿真模型,對(duì)單足機(jī)器人垂直跳躍運(yùn)動(dòng)過(guò)程和動(dòng)態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行仿真研究,在理論上驗(yàn)證所建數(shù)學(xué)模型的正確性。對(duì)機(jī)器人前一周期跳躍高度、落地時(shí)刻氣缸下腔預(yù)設(shè)氣壓和活塞預(yù)設(shè)相對(duì)坐標(biāo)、觸地相氣缸上腔充排氣起始?xì)鈮骸⑸舷虑怀渑艢廪D(zhuǎn)換相對(duì)坐標(biāo)和節(jié)流口面積對(duì)機(jī)器人跳躍高度的影響規(guī)律進(jìn)行仿真研究,尋找實(shí)現(xiàn)機(jī)器人穩(wěn)定垂直跳躍的上述參數(shù)的可用區(qū)間和較佳區(qū)間。對(duì)機(jī)器人落地時(shí)刻氣缸下腔預(yù)設(shè)氣壓和活塞預(yù)設(shè)相對(duì)坐標(biāo)、觸地相氣缸上下腔充排氣轉(zhuǎn)換相對(duì)坐標(biāo)對(duì)單足機(jī)器人落地碰撞和起跳沖擊的影響規(guī)律進(jìn)行仿真研究,尋找上述參數(shù)使機(jī)器人落地碰撞和起跳沖擊更小的可用區(qū)間和較佳區(qū)間,為實(shí)現(xiàn)單足機(jī)器人連續(xù)穩(wěn)定的垂直跳躍奠定理論基礎(chǔ)。搭建由DSP控制系統(tǒng)、多傳感器檢測(cè)系統(tǒng)、氣動(dòng)位置伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和單足機(jī)器人機(jī)械本體組成的單足機(jī)器人垂直跳躍實(shí)驗(yàn)臺(tái),對(duì)機(jī)器人騰空相彈跳腿氣動(dòng)位置伺服系統(tǒng)的定位精度和動(dòng)態(tài)特性、單足機(jī)器人垂直跳躍的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)研究機(jī)器人落地時(shí)刻氣缸下腔預(yù)設(shè)氣壓和活塞預(yù)設(shè)相對(duì)坐標(biāo)、氣缸充排氣起始時(shí)刻和時(shí)間、比例閥節(jié)流口有效面積對(duì)單足機(jī)器人跳躍高度的影響規(guī)律;實(shí)驗(yàn)研究落地時(shí)刻氣缸下腔預(yù)設(shè)氣壓和活塞預(yù)設(shè)相對(duì)坐標(biāo)、氣缸上下腔充排氣時(shí)間對(duì)機(jī)器人落地碰撞和起跳沖擊的影響規(guī)律。通過(guò)與仿真結(jié)果對(duì)比,驗(yàn)證本文所建立的單足機(jī)器人騰空相氣動(dòng)位置伺服系統(tǒng)和垂直跳躍動(dòng)態(tài)模型及仿真結(jié)果的正確性。通過(guò)對(duì)單足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正解和逆解、機(jī)身姿態(tài)超聲波檢測(cè)和液壓伺服調(diào)整系統(tǒng)、彈跳腿氣動(dòng)位置伺服系統(tǒng)和機(jī)器人連續(xù)穩(wěn)定垂直跳躍進(jìn)行動(dòng)態(tài)建模、聯(lián)合仿真和實(shí)驗(yàn)研究,完成機(jī)身姿態(tài)檢測(cè)和調(diào)整系統(tǒng)的理論分析和驗(yàn)證,在理論和實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)單足機(jī)器人等高和變高連續(xù)穩(wěn)定的垂直跳躍。
【關(guān)鍵詞】：單足機(jī)器人 超聲波姿態(tài)檢測(cè) 垂直跳躍 液壓伺服姿態(tài)調(diào)整 氣缸活塞精確定位
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TP242
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第1章 緒論14-27
• 1.1 課題背景及研究的目的和意義14-15
• 1.2 單足機(jī)器人的發(fā)展概況15-20
• 1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀15-19
• 1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀19-20
• 1.3 單足機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)及其相關(guān)理論的發(fā)展20-25
• 1.3.1 氣動(dòng)技術(shù)概述20-22
• 1.3.2 液壓技術(shù)概述22-23
• 1.3.3 多傳感器數(shù)據(jù)融合概述23-24
• 1.3.4 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)解法概述24
• 1.3.5 跳躍機(jī)器人動(dòng)態(tài)特性研究概述24-25
• 1.4 本文的主要研究?jī)?nèi)容25-27
• 第2章 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及姿態(tài)檢測(cè)與調(diào)整方法27-64
• 2.1 引言27
• 2.2 姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)分析及坐標(biāo)系的建立27-31
• 2.2.1 單足機(jī)器人結(jié)構(gòu)及姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)分析27-29
• 2.2.2 機(jī)器人坐標(biāo)系的建立及初始參數(shù)的確定29-31
• 2.3 彈跳腿相對(duì)機(jī)身轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程31-41
• 2.3.1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解方程的推導(dǎo)32-37
• 2.3.2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正解方程的推導(dǎo)37-41
• 2.4 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真與驗(yàn)證41-44
• 2.4.1 仿真模型的建立與調(diào)試41-42
• 2.4.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析42-43
• 2.4.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)正解和逆解的三維圖解驗(yàn)證43-44
• 2.5 觸地相姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型的建立44-55
• 2.5.1 姿態(tài)檢測(cè)及液壓伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型44-48
• 2.5.2 姿態(tài)調(diào)整過(guò)程動(dòng)力學(xué)方程48-52
• 2.5.3 姿態(tài)檢測(cè)與調(diào)整控制算法方程52-55
• 2.6 觸地相姿態(tài)調(diào)整過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真55-62
• 2.6.1 仿真模型的建立與調(diào)試55-56
• 2.6.2 機(jī)身姿態(tài)檢測(cè)與調(diào)整過(guò)程仿真56-59
• 2.6.3 檢測(cè)誤差對(duì)機(jī)身姿態(tài)調(diào)整精度影響規(guī)律仿真59-62
• 2.7 本章小結(jié)62-64
• 第3章 氣動(dòng)彈跳腿騰空相活塞位置精確控制研究64-87
• 3.1 引言64
• 3.2 氣動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)64
• 3.3 氣缸數(shù)學(xué)模型的建立64-79
• 3.3.1 活塞運(yùn)動(dòng)方程65-66
• 3.3.2 氣缸熱力學(xué)方程66-79
• 3.4 控制算法方程的建立79-82
• 3.5 摩擦力補(bǔ)償方程82-83
• 3.6 彈跳腿活塞定位精度仿真83-86
• 3.6.1 氣動(dòng)伸縮式彈跳腿氣動(dòng)系統(tǒng)仿真模型83-85
• 3.6.2 騰空階段活塞定位精度仿真分析85-86
• 3.7 本章小結(jié)86-87
• 第4章 單足機(jī)器人垂直跳躍動(dòng)態(tài)建模與仿真87-141
• 4.1 引言87
• 4.2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程動(dòng)態(tài)模型的建立87-104
• 4.2.1 機(jī)器人垂直跳躍坐標(biāo)系的建立及運(yùn)動(dòng)分析87-93
• 4.2.2 落地碰撞過(guò)程動(dòng)態(tài)模型93-98
• 4.2.3 觸地相運(yùn)動(dòng)過(guò)程動(dòng)態(tài)模型98-101
• 4.2.4 起跳沖擊及騰空相動(dòng)態(tài)模型101-104
• 4.3 單足機(jī)器人垂直跳躍仿真模型與聯(lián)合仿真104-140
• 4.3.1 機(jī)器人垂直跳躍仿真模型的建立104-108
• 4.3.2 機(jī)器人動(dòng)態(tài)參數(shù)仿真及變化規(guī)律分析108-113
• 4.3.3 落地碰撞和起跳沖擊影響因素分析與仿真113-119
• 4.3.4 跳躍高度影響因素分析與仿真119-135
• 4.3.5 實(shí)現(xiàn) 0.08m等高跳躍影響因素分析與仿真135-138
• 4.3.6 不同地面影響規(guī)律仿真與分析138-140
• 4.4 本章小結(jié)140-141
• 第5章 單足機(jī)器人垂直跳躍動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)研究141-169
• 5.1 引言141
• 5.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建141-150
• 5.2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)141-144
• 5.2.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建及實(shí)驗(yàn)過(guò)程設(shè)計(jì)144-150
• 5.3 垂直跳躍實(shí)驗(yàn)臺(tái)的調(diào)試及仿真結(jié)果驗(yàn)證150-156
• 5.3.1 控制程序的編寫與實(shí)驗(yàn)臺(tái)調(diào)試150-151
• 5.3.2 跳躍氣缸活塞定位精度及時(shí)間實(shí)驗(yàn)151-152
• 5.3.3 單足機(jī)器人連續(xù)穩(wěn)定跳躍實(shí)驗(yàn)152-156
• 5.4 機(jī)器人跳躍高度影響因素分析實(shí)驗(yàn)156-160
• 5.5 機(jī)器人落地碰撞和起跳沖擊實(shí)驗(yàn)160-165
• 5.6 不同地面影響規(guī)律實(shí)驗(yàn)165-167
• 5.7 本章小結(jié)167-169
• 結(jié)論169-171
• 參考文獻(xiàn)171-180
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果180-182
• 致謝182-183
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷183

，

本文編號(hào)：804760