一种柔索驱动关节的控制策略及参数优化研究

发布时间：2020-05-16 20:29

【摘要】：在目前仿人机器人研究工作中,机器人与人类在动作柔顺性方面仍存在一定差距,这主要是因为驱动的柔性不足。使用柔索对关节进行驱动,能够使机器人在动作过程中能够很好地吸收冲击,且更加平稳地完成各种动作,降低能耗。然而柔索驱动也存在一定的问题,如柔索只能受拉而不能受压,因此控制机器人关节的一个完整自由度需要至少两条柔索同时进行拮抗控制。使用两条柔索进行控制时,不仅会对关节角度产生影响,也会对关节力矩产生影响,因此需要设计一种关节控制策略,对关节位置和力进行控制。本文构建了双柔索拮抗驱动关节的物理模型,建立了柔索收缩量与关节驱动力矩的关系。在此基础上,设计了一种关节控制策略,该策略包含位置控制和力控制两部分。考虑到柔索控制模型的高度非线性,在位置控制部分采用改进型自抗扰控制器(ADRC)对当前位置误差下所需关节驱动力矩进行求解,柔索张力分配部分结合所需力矩对两侧柔索张力进行分配。确定了待调节参数及各参数对控制器性能的影响。改进了人工鱼群算法,通过设置各维相对独立的搜索参数,加强多维并行寻优能力,针对不同阶段对搜索参数进行了相应调整,提高了算法的寻优速度和精度。在前、后期分别对落后人工鱼进行激励、重新投放。针对控制系统优化目标建立了目标函数,运用人工鱼群算法对ADRC参数进行了优化。本文在MATLAB中搭建了ADRC控制系统,使用ADAMS与MATLAB联合仿真,对人体动作过程中的关节角度进行了跟踪。该研究针对柔索只能传递拉力而不能承受推力等的特性,提出了一种柔索收缩量主动控制策略,实现了柔索驱动关节转矩的控制,和向指定位置的平稳无波动调整。因此,该控制策略在柔索驱动控制以及改善仿人机器人的动作性能的研究中具有重要的意义。
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机器人,仿人机器人

合肥工业大学学术硕士研究生学位论文，提供更好的服务。继“Rig”机器人诞生之后，各国均展开了对仿人机器人的研究工作，在，以日本在机器人领域的研究成果最为引人注目。在 1970 年，日本早稻田发出了一款名为“WABOT-1”的仿人机器人[4]，该机器人集成了运动控制系觉系统、对话系统，成为了仿人机器人发展史上划时代的杰作。1986 年，大学成功研制了 WL-12(R)步行机器人[5]，通过其躯体的动作对下肢动作进，实现了高速平稳行走。此后，有关仿人机器人的研究工作主要集中在驱和相关控制方式的研究上。

机器人,仿人机器人

图 1.1 WABOT-1 机器人Fig 1.1 WABOT-1 robot图 1.2 WL-12(R)Fig 1.2 WL-12(R) robot在 20 世纪 90 年代，随着智能控制算法的不断发展，，仿人机器人的控制到了长足的发展[6]，其智能化水平和功能都得到了大大提高。较为著名有司研制的 Asimo 机器人[7]。Asimo 机器人是本田公司开发的世界上第一台行稳定国内行走的双足仿人机器人，该机器人能够进行上下楼梯，慢速奔作。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP242;TP18

【参考文献】