四足机器人参数辨识及步态规划研究
发布时间：2021-01-10 04:49
四足机器人一直是机器人方向的重点研究课题,本文设计了一种基于3PUPS机构的并联四足机器人,它能够适应各种复杂地形、高效完成指定任务。本文使用参数辨识的方法计算动力学模型,使其能够更快更准确的完成机构的动力学计算。为了使四足机器人行走的更加稳定,本文提出了一种基于中央模式控制的虚拟模型步态控制算法。首先对动力学模型进行线性化,提取出机构的惯性参数,然后找出最小惯性参数集合。将采集到的数据输入动力学模型,并进行奇异值分解来获得动力学模型的最小惯性参数集。为了使参数能准确的辨识,用机器人的运动参数将运动轨迹表达出来,然后用傅里叶级数的解析式来描述运动轨迹,并用条件数最小的原则对傅里叶级数里面的参数进行优化减小矩阵的病态性对参数辨识的影响。最后使用加权最小二乘法来求解动力学模型组成的超静定方程组求解出机构的惯性参数。四足移动机器人的控制器分为两部分。首先是由四个耦合的Kuramoto非线性振荡器构成网络拓扑,并构建出振子网络与关节实际输出之间的映射关系,然后通过弹簧阻尼器将实际输出转化为实际驱动力矩。其次通过虚拟模型控制器,计算四足移动机器人姿态调整所需的足端虚拟力,并根据虚拟工作原理将足端...
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：101 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
HyQ机器人
啥扔苫?砩仙斐龅闹毕咚欧?缁??????⊥裙辜?淖杂啥?由安装在大腿构件上的直线伺服电机进行驱动，同时小腿上进行足端缓冲，其结构图如图1-1所示。“Spot”机器人也是采用这中结构，其清爽的构型下却有着强劲的动力，其踝关节高度定制，其独特之处在于作为动力输出的谐波减速器钢轮并不是采用螺钉传递扭矩[4]，而是采用两个摩擦垫依靠摩擦带动腿部部件转动，这种结构的优点在于当足端或者躯干收到外界冲击力超过极限值时，两个摩擦垫就可以产生相对滑动来保护减速器和伺服电机，其结构图如图1-2所示。图1-1HyQ机器人图1-2Spot机器人还有一些串联型四足移动机器人机械腿有三个旋转关节，其目的是模仿动物腿部结构中的足端跟腱等部位，使其在复杂的路况中仿生学与运动学特性更加优异。例如Cheetah-cub四足移动机器人便是如此。其控制髋关节自由度的电机安装在四足移
尽可能的减小腿部的刚度来保证机器人整体运行的平稳程度。同时用一根电缆绕过髋关节与躯干内的电机相连以控制膝关节的自由度。在足端采用一个安装了弹簧的连杆伸出来模仿动物腿部的跟腱，来减小四足移动机器人足端着地的瞬时冲击力。其结构图如图1-3所示。采用这种结构的还有波士顿动力公司的BigDog机器人，该机器狗的行走视频在网上流传非常广泛，在社交平台上一度风靡一时。该四足移动机器人整体采用液压伺服系统进行驱动，通过液压泵将液压油送到腿部执行器的各关节处来驱动机器人进行行走，其机构图如图1-4所示。图1-3Cheetah机器人图1-4BigDog机器人通常此类四足移动机器人结构较为简单，但是由于每条腿都是直接有大功率的电机直接进行髋关节和膝关节的驱动，因此响应较为迅速。不过此类机器人构型方式在其结构上本身就注定了在相同体积时起负载能力较低。1.2.2并联机器人研究现状相对与串联四足机器人来说，并联四足机器人其承载能力大大提高，而且其灵活的构型和极高的运动精度可以高效准确的执行预期任务。但是其复杂的结构需要扎实的机构学基础，而且并联四足移动机器人的运动学与动力学相比与串联机器人来说运算更加耗时，因此对并联机构的四足移动机器人的研究有限。日本高西研究所开发出的一款并联行走机器人“WL-16RIV”，高度为1.28米，其单腿机构采用stewart平台作为基础机构，采用电动推杆作为单腿驱动构件，通过座椅上把手的控制操作杆来控制并联机器人移动的方向和速度，其机构图如图1-5所示。由日本东京工业大学团队所设计的一款高层玻璃清洗机器人“NINJA-I”和“NINJA-II”，此机器人每个单元高度接近1.8米，左右宽度为0.5米，整体质量为45公斤，其每条腿由并联机
【参考文献】：
期刊论文
[1]V-REP机器人仿真远程控制方法研究[J]. 乐斌,曾兴斌. 工业控制计算机. 2018(09)
[2]基于傅里叶级数关节激励轨迹的iiwa动力学参数辨识[J]. 程青松,罗磊,徐啸顺,莫锦秋. 机电一体化. 2018(05)
[3]基于V-REP的关节机器人运动仿真[J]. 赵海林,钱炜,孙福佳. 电子科技. 2017(04)
[4]3-UPS/PU并联机构动力学建模及自适应滑模控制[J]. 张达,原大宁,刘宏昭. 机械科学与技术. 2017(02)
[5]基于虚拟模型的四足机器人对角小跑步态控制方法[J]. 张国腾,荣学文,李贻斌,柴汇,李彬. 机器人. 2016(01)
[6]一种工业机器人动力学参数的辨识方法[J]. 丁亚东,陈柏,吴洪涛,申浩宇. 华南理工大学学报(自然科学版). 2015(03)
[7]基于最优激励轨迹的RRR机械臂动力学参数辨识[J]. 娄玉冰,王东署. 郑州大学学报(理学版). 2011(03)
[8]基于6维力/力矩传感器的并联机器人惯性参数辨识方法[J]. 杨建新,余跃庆. 机械科学与技术. 2006(07)
[9]机器人惯性参数辨识的若干方法及进展[J]. 刘正士,陈恩伟,干方建. 合肥工业大学学报(自然科学版). 2005(09)
[10]基于虚拟模型的四足机器人直觉控制[J]. 陈佳品,程君实,席裕庚. 上海交通大学学报. 2002(08)
博士论文
[1]变胞变尺度轮腿混合四足机器人研究[D]. 曲梦可.燕山大学 2017
[2]耦合振子的动力学行为研究[D]. 冯月娥.北京邮电大学 2017
[3]复杂地形环境四足机器人运动控制方法研究与实现[D]. 孟健.山东大学 2015
[4]四足机器人对角小跑步态虚拟模型直觉控制方法研究[D]. 谢惠祥.国防科学技术大学 2015
[5]机器人动态特性及动力学参数辨识研究[D]. 陈恩伟.合肥工业大学 2006
[6]可重构混联机械手模块TriVariant的设计理论与方法[D]. 李曚.天津大学 2005
硕士论文
[1]自适应行星轮式履带机器人的研究[D]. 孙军权.北京交通大学 2019
[2]基于MATLAB与V-REP的机器人三维建模与加工运动仿真[D]. 张世超.厦门大学 2018
[3]基于虚拟模型和阻抗控制的四足液压驱动机器人行走研究[D]. 李鑫.哈尔滨工业大学 2018
[4]双臂机器人在搬运作业中的运动分析与控制方法研究[D]. 敖天翔.西南科技大学 2018
[5]6UPS并联机构尺寸优化与动力学模型研究[D]. 刘天旭.燕山大学 2018
[6]Kuramoto模型的同步与渐近行为[D]. 曾凡芹.哈尔滨工业大学 2017
[7]多足移动机器人系统的动态稳定性控制方法与实验研究[D]. 史军军.沈阳理工大学 2016
[8]工业机器人动力学参数辨识[D]. 丁亚东.南京航空航天大学 2015
[9]爆发式同步的广义Kuramoto模型的解析求解[D]. 胡鑫.华东师范大学 2014
[10]四足仿生机器人结构设计研究[D]. 陈思宇.华中科技大学 2014
本文编号：2968094
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：101 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
HyQ机器人
啥扔苫?砩仙斐龅闹毕咚欧?缁??????⊥裙辜?淖杂啥?由安装在大腿构件上的直线伺服电机进行驱动，同时小腿上进行足端缓冲，其结构图如图1-1所示。“Spot”机器人也是采用这中结构，其清爽的构型下却有着强劲的动力，其踝关节高度定制，其独特之处在于作为动力输出的谐波减速器钢轮并不是采用螺钉传递扭矩[4]，而是采用两个摩擦垫依靠摩擦带动腿部部件转动，这种结构的优点在于当足端或者躯干收到外界冲击力超过极限值时，两个摩擦垫就可以产生相对滑动来保护减速器和伺服电机，其结构图如图1-2所示。图1-1HyQ机器人图1-2Spot机器人还有一些串联型四足移动机器人机械腿有三个旋转关节，其目的是模仿动物腿部结构中的足端跟腱等部位，使其在复杂的路况中仿生学与运动学特性更加优异。例如Cheetah-cub四足移动机器人便是如此。其控制髋关节自由度的电机安装在四足移
尽可能的减小腿部的刚度来保证机器人整体运行的平稳程度。同时用一根电缆绕过髋关节与躯干内的电机相连以控制膝关节的自由度。在足端采用一个安装了弹簧的连杆伸出来模仿动物腿部的跟腱，来减小四足移动机器人足端着地的瞬时冲击力。其结构图如图1-3所示。采用这种结构的还有波士顿动力公司的BigDog机器人，该机器狗的行走视频在网上流传非常广泛，在社交平台上一度风靡一时。该四足移动机器人整体采用液压伺服系统进行驱动，通过液压泵将液压油送到腿部执行器的各关节处来驱动机器人进行行走，其机构图如图1-4所示。图1-3Cheetah机器人图1-4BigDog机器人通常此类四足移动机器人结构较为简单，但是由于每条腿都是直接有大功率的电机直接进行髋关节和膝关节的驱动，因此响应较为迅速。不过此类机器人构型方式在其结构上本身就注定了在相同体积时起负载能力较低。1.2.2并联机器人研究现状相对与串联四足机器人来说，并联四足机器人其承载能力大大提高，而且其灵活的构型和极高的运动精度可以高效准确的执行预期任务。但是其复杂的结构需要扎实的机构学基础，而且并联四足移动机器人的运动学与动力学相比与串联机器人来说运算更加耗时，因此对并联机构的四足移动机器人的研究有限。日本高西研究所开发出的一款并联行走机器人“WL-16RIV”，高度为1.28米，其单腿机构采用stewart平台作为基础机构，采用电动推杆作为单腿驱动构件，通过座椅上把手的控制操作杆来控制并联机器人移动的方向和速度，其机构图如图1-5所示。由日本东京工业大学团队所设计的一款高层玻璃清洗机器人“NINJA-I”和“NINJA-II”，此机器人每个单元高度接近1.8米，左右宽度为0.5米，整体质量为45公斤，其每条腿由并联机
【参考文献】：
期刊论文
[1]V-REP机器人仿真远程控制方法研究[J]. 乐斌,曾兴斌. 工业控制计算机. 2018(09)
[2]基于傅里叶级数关节激励轨迹的iiwa动力学参数辨识[J]. 程青松,罗磊,徐啸顺,莫锦秋. 机电一体化. 2018(05)
[3]基于V-REP的关节机器人运动仿真[J]. 赵海林,钱炜,孙福佳. 电子科技. 2017(04)
[4]3-UPS/PU并联机构动力学建模及自适应滑模控制[J]. 张达,原大宁,刘宏昭. 机械科学与技术. 2017(02)
[5]基于虚拟模型的四足机器人对角小跑步态控制方法[J]. 张国腾,荣学文,李贻斌,柴汇,李彬. 机器人. 2016(01)
[6]一种工业机器人动力学参数的辨识方法[J]. 丁亚东,陈柏,吴洪涛,申浩宇. 华南理工大学学报(自然科学版). 2015(03)
[7]基于最优激励轨迹的RRR机械臂动力学参数辨识[J]. 娄玉冰,王东署. 郑州大学学报(理学版). 2011(03)
[8]基于6维力/力矩传感器的并联机器人惯性参数辨识方法[J]. 杨建新,余跃庆. 机械科学与技术. 2006(07)
[9]机器人惯性参数辨识的若干方法及进展[J]. 刘正士,陈恩伟,干方建. 合肥工业大学学报(自然科学版). 2005(09)
[10]基于虚拟模型的四足机器人直觉控制[J]. 陈佳品,程君实,席裕庚. 上海交通大学学报. 2002(08)
博士论文
[1]变胞变尺度轮腿混合四足机器人研究[D]. 曲梦可.燕山大学 2017
[2]耦合振子的动力学行为研究[D]. 冯月娥.北京邮电大学 2017
[3]复杂地形环境四足机器人运动控制方法研究与实现[D]. 孟健.山东大学 2015
[4]四足机器人对角小跑步态虚拟模型直觉控制方法研究[D]. 谢惠祥.国防科学技术大学 2015
[5]机器人动态特性及动力学参数辨识研究[D]. 陈恩伟.合肥工业大学 2006
[6]可重构混联机械手模块TriVariant的设计理论与方法[D]. 李曚.天津大学 2005
硕士论文
[1]自适应行星轮式履带机器人的研究[D]. 孙军权.北京交通大学 2019
[2]基于MATLAB与V-REP的机器人三维建模与加工运动仿真[D]. 张世超.厦门大学 2018
[3]基于虚拟模型和阻抗控制的四足液压驱动机器人行走研究[D]. 李鑫.哈尔滨工业大学 2018
[4]双臂机器人在搬运作业中的运动分析与控制方法研究[D]. 敖天翔.西南科技大学 2018
[5]6UPS并联机构尺寸优化与动力学模型研究[D]. 刘天旭.燕山大学 2018
[6]Kuramoto模型的同步与渐近行为[D]. 曾凡芹.哈尔滨工业大学 2017
[7]多足移动机器人系统的动态稳定性控制方法与实验研究[D]. 史军军.沈阳理工大学 2016
[8]工业机器人动力学参数辨识[D]. 丁亚东.南京航空航天大学 2015
[9]爆发式同步的广义Kuramoto模型的解析求解[D]. 胡鑫.华东师范大学 2014
[10]四足仿生机器人结构设计研究[D]. 陈思宇.华中科技大学 2014
本文编号：2968094
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