基于虚拟模型和主动阻抗控制的双足机器人动态行走研究

发布时间：2018-03-03 22:31

本文选题：双足机器人　切入点：动态步行　出处：《哈尔滨工业大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：双足机器人是机器人技术发展过程中的一个重要分支,因其具有拟人特性,且具备在非结构化环境中运动的能力,一直以来都被视作未来人类生活的重要参与者。近年来随着波士顿动力公司最新一代Atlas双足机器人的问世,双足机器人发展已经迈入了具备应对不同地形能力,实现多重工作任务的崭新纪元,在此领域,我国与世界先进水平尚有较大差距。生物学研究表明,足式动物适应不同地形,处理不同任务的能力与腿部阻抗参数息息相关。因此本文将针对双足机器人地形适应能力不足的问题,以顶层控制算法为研究对象,从改变系统阻抗特性的思路出发,切实提高双足机器人的运动性能。本文以足式生物下肢为参考对象,秉承轻量化和紧凑型要求,建立液压驱动双足机器人样机模型,为后续研究工作奠定基础。运动学关系是机器人连杆运动与关节运动之间的纽带,本文针对传统运动学分析方法的不足,采用浮体运动学方法对双足机器人进行运动学分析,建立连杆运动与关节运动之间的映射关系。在此基础上,采用参数化方法对机器人髋关节及足端轨迹进行合理规划,并应用逆运动学方法将其映射到关节空间,作为双足机器人控制器的输入信号。双足机器人系统是一个多变量、强耦合、非线性和自然不稳定的系统,具有时变的拓扑结构,且足端接触力在运动周期内时刻变化,其系统特性决定了机器人的控制难度。为提高控制器的性能和消除系统的非线性,针对不同的拓扑结构,采用拉格朗日动力学方法建立了相应的动力学模型,建立起关节运动与关节力矩之间的关系,并对足地碰撞过程对系统特性产生的影响进行了理论分析。阻抗控制是改变机器人系统阻抗特性的重要方法之一,针对基于位置的阻抗控制方法和基于力的阻抗控制方法特性不明的问题,本文采用理论推导和仿真验证相结合的方式对两种控制方法的特点和适用环境进行了说明,并采用状态空间方法对阻抗控制方法的控制特性进行了阐述。通过对比,本文选择基于力的阻抗控制方法。为验证主动阻抗控制方法的有效性,建立单足机器人Simulink-ADAMS联合仿真模型,并进行自由空间跟随、非线性及线性弹簧模拟以及主动弹跳仿真,仿真结果验证了该方法在调节系统阻抗方面的有效性。为说明阻抗控制方法对提高双足机器人性能的有效性,本文分别采用基于逆动力学模型的计算力矩控制方法和基于虚拟模型的主动阻抗控制方法对机器人进行控制。计算力矩控制方法属于传统的基于模型的控制算法,利用反馈线性化消除系统非线性,通过复现关节轨迹实现行走。本文提出的控制算法采用虚拟模型控制和基于力的阻抗控制相结合的方式,虚拟模型控制方法主要用于机器人支撑腿的控制,基于力的阻抗控制方法则侧重于摆动腿的控制。建立联合仿真模型,进行平坦路面行走、不同刚度路面行走以及不平路面行走等仿真实验,仿真结果表明,相较于计算力矩控制方法,虚拟模型控制和基于力的阻抗控制相结合的控制算法切实提高了机器人适应不同路面以及处理未知环境障碍的能力。
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【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP242

【参考文献】