轮腿式仿生机器人运动控制研究

发布时间：2020-10-10 20:06

　　 轮腿式机器人将腿式机器人和轮式机器人结合,同时兼备轮式机器人的优势和腿式机器人灵活的仿人或仿生特性,在服务、交通和军事等方面有巨大的潜在应用价值,越来越成为机器人系统与技术研究的热门领域,本文以一类电液混合驱动的两轮自平衡式轮腿机器人的运动控制为核心,分别在以下几个方面展开研究工作。轮腿机器人的系统建模。建立各个关节角度与关节位置坐标之间的运动学模型,根据机器人运动学模型和样机的关节机构,建立液压缸位移和关节角度变化之间的关系。为建立机器人整体的运动控制方案,从平衡控制的基本原理出发,采用解耦与等效的思想对轮腿机器人进行等效系统建模,得到等效的质心模型和模型映射关系。基于惯性测量单元(IMU)和关节位移传感器建立机器人髋关节与等效质心的卡尔曼滤波状态估计模型,为运动控制所需要的模型奠定基础。轮腿机器人驱动轮线性变参数动力学系统(LPV)模型建立与控制算法设计。根据等效质心的思想,在驱动轮自平衡控制中可以将机器人的动力学简化成非线性耦合时变参数的系统,采用LPV系统理论和技术进行建模,并通过张量高阶奇异值分解(HOSVD)进行多胞变换,以顶点系统形式来描述系统。并在此基础上从具体的控制目标出发,设计鲁棒混合D-稳定增益调度控制算法,利用矩阵不等式(LMI)求得控制器,保证驱动轮控制系统的响应和跟踪鲁棒性。基于质心控制的轮腿机器人运动控制策略。对于等效之后的机器人系统,采用控制质心的方式来实现对轮腿机器人的运动控制,在动态性能与静态稳定平衡上分别设计相应的质心控制策略和控制率,对于动态加减速的实现,采用预观控制来规划质心的轨迹,而静态平衡采用一种搜索关节角度的算法来优化调整时间,从而实现对质心调控的最优控制。轮腿机器人运动控制仿真与实验。对上述内容进行了Matlab数值仿真以及Vrep与Matlab联合的物理引擎仿真,验证各个算法并整定参数,搭建完成实际物理样机和控制系统,进行驱动轮电机摩擦辨识与补偿实验,保证力矩控制的精度;结合以上理论与仿真结果,分别进行了蹲起、加减速,轨迹跟踪与定位实验,验证方案与算法的合理性。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP242
【部分图文】：

时又兼具轮式机器人的特点，两轮轮腿式仿生机器人则既具有了两轮人的优势，又兼顾腿式机器人灵活的仿人或仿生特性，在各个领域均有应用前景，成为运动机器人领域的一股新潮，由于其本征的非线性，多自定性以及强耦合，在控制上来说十分复杂，因而对轮腿式仿生机器人的究兼具理论和实践的价值。国内外的研究现状及分析 两轮自平衡机器人研究现状倒立摆的思想很早就被应用在导航、制导与控制当中，但两轮自平衡机却在 1986 年才被日本的 Yamafuji 教授[1]首先提出，Yamafuji 提出这一现了原理样机，如图 1-1 所示。该机器人的两个轮同轴布置，仅由一个其只能沿着固定的导轨实现直线行走，而无法完成差速转弯，另外，与测量技术的发展，其车身倾角的测量是由驱动轮上的杠杆与地面的的。这一款机器人获得了 1996 年日本的专利，但由于当时自动化技术，且这种机器人的前景尚未明确，因此没有得到太大的重视。

时又兼具轮式机器人的特点，两轮轮腿式仿生机器人则既具有了两轮人的优势，又兼顾腿式机器人灵活的仿人或仿生特性，在各个领域均有应用前景，成为运动机器人领域的一股新潮，由于其本征的非线性，多自定性以及强耦合，在控制上来说十分复杂，因而对轮腿式仿生机器人的究兼具理论和实践的价值。国内外的研究现状及分析 两轮自平衡机器人研究现状倒立摆的思想很早就被应用在导航、制导与控制当中，但两轮自平衡机却在 1986 年才被日本的 Yamafuji 教授[1]首先提出，Yamafuji 提出这一现了原理样机，如图 1-1 所示。该机器人的两个轮同轴布置，仅由一个其只能沿着固定的导轨实现直线行走，而无法完成差速转弯，另外，与测量技术的发展，其车身倾角的测量是由驱动轮上的杠杆与地面的的。这一款机器人获得了 1996 年日本的专利，但由于当时自动化技术，且这种机器人的前景尚未明确，因此没有得到太大的重视。

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文，美国发明家 Dean Kamen 与他的 DEKA 研发公司[3]发明设gwayHT(HumanTransporter)，其本质仍是自平衡机器人，如巧的设计和强大的性能，SegwayHT 迅速吸引了大量目光，人的商业化，考虑到由两轮机器人的本征不稳定性导致的安HT 采用了两套控制系统来进行切换控制，一套在线工作，另检测到故障时就会进行切换控制，以此来保障行驶安全性能HT 还结合加速度计来进行机器人身体倾斜角度的融合测量，的倾向，以此来实现平衡稳定的启动与制动。其信息感知系螺仪和 2 个加速度计，其中三个陀螺仪用来测量俯仰，侧摆个离线备用，以便于确保行车安全。Segway HT 自重在 50达到 20km/h，并按照行驶路面状况分类，以适应不同的环的性能， SegwayHT 标志着两轮机器人实用化的开端，并人的视野中。
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本文编号：2835527