四足机器人的柔性脊柱机构设计及其控制方法研究

发布时间：2020-12-23 01:54

　　相比其他移动机器人,仿生四足机器人在运动灵活性、非结构环境适应性上具有无法比拟的优势,在军事支援、户外救援、户内娱乐服务等方面有巨大的应用潜力。经过多年的发展和研究,仿生四足机器人相关技术在各方面取得了许多重大突破,但当前多数刚性脊柱四足机器人仍然无法做到像四足哺乳动物一样快速、灵活而稳定运动,其主要原因之一是刚性脊柱四足机器人忽略了脊柱对四足机器人运动的重要作用。而四足哺乳动物的稳定、灵活运动是四肢与脊柱相互协调的结果。针对此问题,本文从四足哺乳动物脊柱仿生的角度出发,提出一种基于串联弹性驱动器的双关节串联柔性脊柱机构,围绕其结构特性、力伺服控制和系统集成展开研究:首先,在分析四足哺乳动物脊柱生理结构和关节弹性驱动特性的基础上,提出双关节串联形式的脊柱机构整体构型方案,并确定基于串联弹性驱动器(SEA)的脊柱关节弹性驱动方案。基于脊柱机构整体构型方案和关节驱动方案对双关节串联柔性脊柱机构进行设计,并对串联柔性脊柱机构的结构特性、工作原理展开研究。其次,基于脊柱在四足哺乳动物高速运动状态下的运动与形态,分析脊柱关节在四足机器人运动过程中的运动与受力情况,以此为依据,对单个脊柱关节的动力... 

【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：76 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
中文摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 四足机器人研究现状
        1.2.1 刚性脊柱四足机器人
        1.2.2 柔性脊柱四足机器人
    1.3 研究目标和研究内容
第二章 柔性脊柱结构设计与等效刚度特性分析
    2.1 四足哺乳动物脊柱
        2.1.1 动物脊柱形态结构
        2.1.2 关节弹性驱动特性
    2.2 脊柱机构结构方案
        2.2.1 整体结构构型方案
        2.2.2 脊柱关节驱动方案
    2.3 柔性脊柱机构设计
        2.3.1 柔性脊柱关节
        2.3.2 关节传动设计
        2.3.3 关键零部件设计
    2.4 柔性脊柱关节的等效刚度特性
    2.5 本章小结
第3章 脊柱关节动力学特性与控制方法研究
    3.1 四足机器人脊柱运动分析
        3.1.1 柔性脊柱关节动力学建模
        3.1.2 脊柱关节等效刚度对动力学系统特性的影响
        3.1.3 输出阻抗特性分析
    3.2 基于粒子群优化算法的PID参数整定
        3.2.1 PID控制原理
        3.2.2 粒子群算法原理
        3.2.3 PSO算法参数改进
        3.2.4 基于PSO算法的 PID 参数整定
    3.3 柔性脊柱关节力矩控制仿真
        3.3.1 电机力矩为阶跃力矩控制仿真
        3.3.2 电机力矩为斜坡力矩控制仿真
        3.3.3 电机力矩为正弦力矩控制仿真
    3.4 小结
第4章 柔性脊柱关节运动控制实验研究
    4.1 串联柔性脊柱控制系统
        4.1.1 控制系统整体架构方案
        4.1.2 硬件系统
        4.1.3 软件设计
        4.1.4 脊柱关节控制实验平台
    4.2 柔性脊柱关节等效刚度标定
    4.3柔性脊柱关节控制实验
        4.3.1 阶跃力矩控制实验
        4.3.2 斜坡力矩控制实验
        4.3.3 正弦力矩控制实验
        4.3.4 带宽特性实验
    4.4 本章小结
第5章 总结与展望
    5.1 总结
    5.2 展望
致谢
参考文献
附录1 研究生期间发表的论文



本文编号：2932850