液压四足机器人柔顺性控制
发布时间：2017-10-17 08:45
本文关键词：液压四足机器人柔顺性控制
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【摘要】：近几年,四足仿生机器人以其运动速度快、灵活性高、环境适应性好、负载能力强等优点受到广泛关注,以期望在物资运输、资源勘探、地理探险、和灾难救援等众多领域发挥巨大作用。而在这些场景下,路面环境崎岖不平非常复杂,机器人在运动过程中不可避免的会与地面产生冲击力。过大的冲击力会损害机械结构,破坏控制系统的稳定,甚至出现机器人失控的情况。本课题以液压四足机器人为实验平台,针对机器人在运动过程中触地冲击力过大的问题展开了深入研究,研究成果对于提高四足机器人的运动稳定性以及环境适应性具有重要意义。本文首先通过几何法对四足机器人的运动学进行了建模分析,提出了一种约束方法解决四足机器人逆运动学关节冗余问题,为四足机器人的运动控制奠定了基础。其次,设计了以TMS320F28335 DSP为核心的底层嵌入式控制器,同时编写控制软件完成机器人单腿四个自由度的伺服控制以及与中层机之间的通讯。在此基础上针对液压执行器的非线性及非对称性,采用自抗扰控制(ADRC)技术以实现机器人关节高精度位置控制。再次,提出了基于力反馈的主动柔顺与被动柔顺相结合的控制策略,被动柔顺用于缓冲触地冲击力,延长冲击过程时间,主动柔顺利用液压执行器的阻尼特性来有效吸收冲击过程中的剩余能量,最终实现机器人稳定触地。通过单自由度垂直下落实验验证了这种方法的有效性,同时分析了柔顺性控制器参数设计原则。最后,将单腿系统等效成为单自由执行器的虚拟腿,在足端笛卡尔空间实施柔顺性控制,实验证明该方法在四足机器人运动中能够有效减小触地冲击力,提升运动平稳性。
【关键词】：四足机器人 冲击力 柔顺性控制 液压伺服控制
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：
- 摘要5-6
- Abstract6-10
- 第1章 绪论10-19
- 1.1 研究背景及意义10-11
- 1.2 四足机器人国内外研究现状11-15
- 1.3 机器人柔顺性控制研究概述15-17
- 1.4 本文主要研究内容和章节安排17-19
- 第2章 液压四足机器人系统构成与建模分析19-34
- 2.1 引言19
- 2.2 液压四足机器人系统构成19-25
- 2.2.1 机械系统20-22
- 2.2.2 液压系统22-24
- 2.2.3 控制系统24-25
- 2.3 四足机器人的运动学分析25-31
- 2.3.1 正运动学分析27-28
- 2.3.2 逆运动学分析28-30
- 2.3.3 速度雅克比矩阵30-31
- 2.4 四足机器人仿真平台搭建31-33
- 2.5 本章小结33-34
- 第3章 液压四足机器人嵌入式控制系统设计34-44
- 3.1 引言34
- 3.2 嵌入式控制器硬件设计34-40
- 3.2.1 控制器电源模块设计35-37
- 3.2.2 CAN总线通讯模块设计37
- 3.2.3 信号采集模块设计37-38
- 3.2.4 伺服阀驱动模块设计38-39
- 3.2.5 硬件电路调试39-40
- 3.3 嵌入式控制器软件设计40-43
- 3.4 本章小结43-44
- 第4章 单自由度液压执行器柔顺性控制44-63
- 4.1 引言44
- 4.2 柔顺性控制方案44-48
- 4.2.1 基于力闭环的主动柔顺控制44-46
- 4.2.2 基于位置闭环的主动柔顺控制46-48
- 4.3 液压执行器位置环自抗扰控制48-53
- 4.3.1 系统建模与控制算法介绍49-52
- 4.3.2 实验与结果讨论52-53
- 4.4 基于位置闭环的液压执行器主被动柔顺控制53-62
- 4.4.1 实验平台介绍53-55
- 4.4.2 柔顺性控制实验与结果讨论55-57
- 4.4.3 控制器参数设计57-62
- 4.5 本章小结62-63
- 第5章 液压四足机器人柔顺性控制63-75
- 5.1 引言63
- 5.2 关节空间柔顺性控制63-67
- 5.3 笛卡尔空间柔顺性控制67-73
- 5.3.1 单腿等效模型67-68
- 5.3.2 柔顺性控制实验与分析68-73
- 5.4 本章小结73-75
- 第6章 总结与展望75-77
- 6.1 总结75
- 6.2 展望75-77
- 附录-CAN通讯服务协议77-79
- 参考文献79-84
- 攻读学位期间发表论文与研究成果清单84-85
- 致谢85
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