欠驱动体操机器人倒立平衡及换杠控制方法研究

发布时间：2020-08-26 06:46

【摘要】：体操机器人是一种自身驱动数目小于自由度数的典型欠驱动系统。这种系统具有复杂强耦合的内部特性,由此导致难以进行反馈线性化的非完整约束,该系统是验证非线性控制方法的理想模型。欠驱动系统在生产生活中广泛存在,例如空间机器人、移动机器人和四旋翼飞行器等等。本文主要研究了体操机器人的倒立平衡和换杠飞跃两种动作。倒立平衡是体操机器人摆起到竖直向上不稳定平衡点并保持平衡;换杠飞跃是机器人在两根平行单杠之间飞跃的过程,即体操机器人在其中一个单杠上摆起到合适的初始状态后,松开手爪,在空中进行姿态变换之后,以合适的姿势抓取另外一根与之平行的单杠。围绕体操机器人的两个主要动作,本文的主要工作如下:首先,将体操机器人的运动划分为抓杠运动和离杠运动,并对这两种运动进行了数学建模。其中,采用拉格朗日方程对抓杠运动进行了动力学建模;而在离杠运动过程中由于体操机器人在空间未受到外力矩作用,据此推导了角动量守恒方程。上述模型在MATLAB/Simulink中进行了验证。其次,提出了部分反馈线性化与李雅普诺夫控制器切换的体操机器人分段摆起控制策略,设计了基于LQR算法的倒立平衡控制器,并对换杠飞跃过程进行了运动规划。该分段控制器在起始阶段利用部分反馈线性化使得机器人的机械能快速累积,当达到阈值范围内切换到李雅谱诺夫控制器,使体操机器人获得倒立平衡与换杠所需的运动状态。在此基础上,利用LQR算法实现了体操机器人的倒立平衡控制。同时,获得了换杠动作的初始条件,实现了体操机器人的换杠飞跃。该算法通过MATLAB/Adams进行了联合仿真,验证了控制及规划效果。再次,对体操机器人的杠上理想动力学方程进行了修正,在其中加入摩擦项,并利用最小二乘法进行了参数辨识,该方法提高了参数精度。最后,搭建了所研制体操机器人的软件框架。将前述控制方法应用到实物平台上。实验结果表明,所设计的控制方法能够实现摆起、倒立平衡控制,并且具有较好的鲁棒性。
【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】：2019
【分类号】：TP242
【图文】：

多伦多大学

（3）欠驱动体操机器人控制理论的研究，为机器人在复杂的环境下的出了一种新的思路。研究这种欠驱动机器人的动力学对于研究其他复杂欠械系统和非线性强耦合系统的动力学具有一定的理论意义。而且欠驱动机在生活中广泛使用，对于欠驱动系统的研究可以应用于类似的欠驱动系统欠驱动机械的研究和开发。本文研究了体操机器人的摆起、倒立平衡和换杠飞跃运动，分别对各进行动力学建模，并设计了相应的控制器，最后搭建了体操机器人物理实验并完成了控制算法的移植与验证。1.2 国内外研究现状及分析1.2.1 国外欠驱动体操机器人的研究现状对体操机器人进行研究时，需要对其模型进行简化，国内外通常采用的 Acrobot 模型对体操机器人进行简化。对于 Acrobot 摆起和倒立平衡的研具有很长的历史，摆起和倒立平衡的控制方法和实验都有比较多的参考。

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图 1-5 李祖枢教授三关节单杠体操机器人中南大学赖旭芝教授[43][44]将模糊控控制的过程中，通过模糊判断来切换不节所应做的运动，使得体操机器人的能立 Takagi-Sugeno(TS)模型来分析体操机采用平衡控制的方法实现了吸引域内的为被动的欠驱动三关节机器人，还提出针对退化系统采用线性控制和非线性控控制方法，可以使得三关节欠驱动机器衡点上并且可以稳定在这平衡点上。南京师范大学韩玉龙[45][46]针对中国主要侧重于体操机器人硬件平台的搭建。通过单片机的各个接口，完成了电平转机器人位姿的测量和控制，并且开发了龙对体操机器人的研究侧重于实物平台

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