基于动量守恒的足式机器人弹跳运动控制方法研究
发布时间：2021-02-06 18:36
四足机器人以四足哺乳动物为模仿对象,重点研究其解剖学结构以及运动机理。随着足式机器人的发展,为了满足四足仿生机器人在真实环境中快速性、灵活性、机动性的要求,急需解决动步态的运动控制问题。其中最关键的技术就是仿生单腿的弹跳运动控制。单腿机器人有且仅有一种步态——弹跳步态,其运动涵盖了足式机器人动步态尤其是Pronk步态中腿部发生的所有事件,包括落地缓冲、蹬地起跳、腾空摆腿等。因此在结构相对简单的单腿实验平台上的弹跳运动控制研究为四足机器人的Pronk步态及其他动步态的控制提供理论基础和参考价值。它的性能决定了足式机器人动步态的性能,因此本文就单腿机器人弹跳运动的控制方法开展研究,取得以下研究成果。（1）建立及分析了四阶非线性液压作动器系统模型,采用基于反馈线性化的滑模控制的方法实现了液压作动器的力跟踪,通过仿真实验与传统PID力控制方法进行对比,证明了FLSM算法跟踪精度高、实用性强。（2）从能量的观点出发,设计了基于动量守恒的单腿机器人弹跳运动控制方法,采用了基于足底力传感器和系统时间构建的有限状态机,最后在仿真和实验中实现了双关节单腿机器人竖直方向上的弹跳运动,验证了本文关于足式机器...
【文章来源】：国防科技大学湖南省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同阶段的BigDog四足机器人如图1.2左所示，波士顿动力公司研制的Cheetah[8]四足机器人是眼下世界上
国防科技大学研究生院硕士学位论文第2页的周期回归性，提出了基于动量守恒弹跳运动控制方法，以动量为约束使机器人实现稳定的弹跳。单腿机器人的弹跳运动包含了足式机器人动步态特别是Pronk步态运动中腿部运动的所有事件，包括落地缓冲、蹬地助推起跳、腾空收（摆）腿等。因此在单腿实验平台上的弹跳运动研究为四足机器人的Pronk步态及其他动步态的控制提供理论基础和参考价值。1.2课题研究现状1.2.1四足机器人研究现状从2004开始，在美国国防部先进研究项目局（DAPRA）的支持下，波士顿动力在四足移动机器人领域取得了一个又一个令人折服的研究成果，研制了如BigDog、LittleDog、AlphaDog、LS3、Cheetah、WildCat、Spot和SpotMini等一批高动态仿生四足机器人。如图1.1所示，BigDog[5,6,7]长0.91米，高0.76米，重110千克，和骡子差不多大校能够负载150千克以6.4公里每小时在丛林、雪地、荒漠等复杂地形下自主运动。图1.1不同阶段的BigDog四足机器人如图1.2左所示，波士顿动力公司研制的Cheetah[8]四足机器人是眼下世界上运动最快的足式机器人，仿照猎豹的生物机构，在其背部安装有可旋转柔性脊椎，以至于在奔跑的过程中增加单步步幅和运动速度。在实验室运动测试速度达到46公里每小时，WildCat是Cheetah的室外版本，如图1.2右所示，在2013年室外测试时实现了bounding、galloping高速稳定运动。图1.2Cheetah（左）和WildCat（右）四足机器人如图1.3所示。2015年，波士顿动力公司发布电机和液压混合驱动的spot四
国防科技大学研究生院硕士学位论文第3页足机器人，如图1.3左，头部装有激光雷达，用于环境感知、建模和导航。Spot具有极高的灵活运动能力，能够在室内运动自如，可以抓取器物以及开门。2016年1月，波士顿动力又发布出新版本的Spot四足机器人SpotMini如图1.3中所示，带有机械臂，可实现开关门以及物品的拾取；在2018年Spot家族再一次更新，退出SpotMini2018，如图。1.3右所示。为完全电机驱动并在本体装有机械臂，可以完成物品的稳定抓取，被称为“最安静的机器人”。该设备重量为30，可持续运动90分钟。图1.3Spot系列四足机器人意大利理工（Dept.ofAdvancedTecnologia）自2008年以来，已经研制出三代HYQ机器人，如图1.4所示。HYQ[9,10,11]是2010年由Semini设计的一款液压驱动四足机器人，重80千克，约1米长。每条腿有三个液压驱动关节，靠高性能伺服阀控制关节角度和关节力，本体装有摄像机和雷达来进行环境的三维建模。该机器人在测试中针对不同的地形使用crawl、walk、trot多种步态，展现出较高的运动性能。图1.4HYQ系列四足机器人如图1.5所示，麻省理工学院仿生机器人实验室从2011年开展仿生四足机器人研究以来，至今已研制了三代电机驱动的四足机器人MITCheetah[12,13,14]。MITCheetahV2[15,16]是第一代四足机器人的继承版，如图1.5中所示，该机器人外形仿照猎豹设计，具有脊柱关节结构，其核心是一个自产的高力矩输出驱动电机。室内试验表明，CheetahV2能够实现高达23公里每小时的跳跃步态奔跑速度，并能够自主跳跃40厘米高的障碍（其腿长的80%）而持续奔跑。CheetahV3具有可以变形的膝关节，如图1.5右所示，配有亚马逊研发的ECHO智能音箱，可根据语音指示完成动作。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于SLIP模型的液压驱动单腿机器人竖直跳跃控制[J]. 陈志伟,金波,朱世强,庞云天,黄翰林,陈刚. 中南大学学报(自然科学版). 2018(01)
[2]四足机器人对角小跑步态下液压驱动单元位置伺服控制特性参数灵敏度研究[J]. 孔祥东,俞滨,权凌霄,巴凯先,李满天. 机器人. 2015(01)
[3]足式机器人单腿跳跃仿真与实验[J]. 钟建锋,罗欣,余益君. 机械与电子. 2014(04)
[4]基于Stribeck摩擦模型的系统模糊滑模控制[J]. 王洪剑,蒋帆. 四川兵工学报. 2013(07)
[5]浅析BigDog四足机器人[J]. 丁良宏,王润孝,冯华山,李军. 中国机械工程. 2012(05)
[6]液压驱动四足仿生机器人的结构设计和步态规划[J]. 李贻斌,李彬,荣学文,孟健. 山东大学学报(工学版). 2011(05)
[7]阀控非对称缸液压系统建模研究[J]. 孟亚东,李长春,张金英,刘晓东. 北京交通大学学报. 2009(01)
[8]四足机器人对角小跑步态的研究[J]. 陈佳品,程君实,冯萍,马培荪,潘俊民,席裕庚. 上海交通大学学报. 1997(06)
[9]近代液压伺服系统控制策略的现状与发展[J]. 李运华,史维祥,林廷圻. 液压与气动. 1995(01)
博士论文
[1]液压驱动单腿跳跃机器人控制系统研究[D]. 陈志伟.浙江大学 2016
[2]四足机器人主动柔顺及对角小跑步态运动控制研究[D]. 张国腾.山东大学 2016
[3]基于SLIP模型的四足机器人对角小跑步态控制研究[D]. 蒋振宇.哈尔滨工业大学 2014
[4]基于SLIP归约模型的足式机器人动步态控制研究[D]. 于海涛.哈尔滨工业大学 2014
硕士论文
[1]液压四足机器人柔顺性控制[D]. 柯贤锋.北京理工大学 2016
本文编号：3020906
【文章来源】：国防科技大学湖南省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同阶段的BigDog四足机器人如图1.2左所示，波士顿动力公司研制的Cheetah[8]四足机器人是眼下世界上
国防科技大学研究生院硕士学位论文第2页的周期回归性，提出了基于动量守恒弹跳运动控制方法，以动量为约束使机器人实现稳定的弹跳。单腿机器人的弹跳运动包含了足式机器人动步态特别是Pronk步态运动中腿部运动的所有事件，包括落地缓冲、蹬地助推起跳、腾空收（摆）腿等。因此在单腿实验平台上的弹跳运动研究为四足机器人的Pronk步态及其他动步态的控制提供理论基础和参考价值。1.2课题研究现状1.2.1四足机器人研究现状从2004开始，在美国国防部先进研究项目局（DAPRA）的支持下，波士顿动力在四足移动机器人领域取得了一个又一个令人折服的研究成果，研制了如BigDog、LittleDog、AlphaDog、LS3、Cheetah、WildCat、Spot和SpotMini等一批高动态仿生四足机器人。如图1.1所示，BigDog[5,6,7]长0.91米，高0.76米，重110千克，和骡子差不多大校能够负载150千克以6.4公里每小时在丛林、雪地、荒漠等复杂地形下自主运动。图1.1不同阶段的BigDog四足机器人如图1.2左所示，波士顿动力公司研制的Cheetah[8]四足机器人是眼下世界上运动最快的足式机器人，仿照猎豹的生物机构，在其背部安装有可旋转柔性脊椎，以至于在奔跑的过程中增加单步步幅和运动速度。在实验室运动测试速度达到46公里每小时，WildCat是Cheetah的室外版本，如图1.2右所示，在2013年室外测试时实现了bounding、galloping高速稳定运动。图1.2Cheetah（左）和WildCat（右）四足机器人如图1.3所示。2015年，波士顿动力公司发布电机和液压混合驱动的spot四
国防科技大学研究生院硕士学位论文第3页足机器人，如图1.3左，头部装有激光雷达，用于环境感知、建模和导航。Spot具有极高的灵活运动能力，能够在室内运动自如，可以抓取器物以及开门。2016年1月，波士顿动力又发布出新版本的Spot四足机器人SpotMini如图1.3中所示，带有机械臂，可实现开关门以及物品的拾取；在2018年Spot家族再一次更新，退出SpotMini2018，如图。1.3右所示。为完全电机驱动并在本体装有机械臂，可以完成物品的稳定抓取，被称为“最安静的机器人”。该设备重量为30，可持续运动90分钟。图1.3Spot系列四足机器人意大利理工（Dept.ofAdvancedTecnologia）自2008年以来，已经研制出三代HYQ机器人，如图1.4所示。HYQ[9,10,11]是2010年由Semini设计的一款液压驱动四足机器人，重80千克，约1米长。每条腿有三个液压驱动关节，靠高性能伺服阀控制关节角度和关节力，本体装有摄像机和雷达来进行环境的三维建模。该机器人在测试中针对不同的地形使用crawl、walk、trot多种步态，展现出较高的运动性能。图1.4HYQ系列四足机器人如图1.5所示，麻省理工学院仿生机器人实验室从2011年开展仿生四足机器人研究以来，至今已研制了三代电机驱动的四足机器人MITCheetah[12,13,14]。MITCheetahV2[15,16]是第一代四足机器人的继承版，如图1.5中所示，该机器人外形仿照猎豹设计，具有脊柱关节结构，其核心是一个自产的高力矩输出驱动电机。室内试验表明，CheetahV2能够实现高达23公里每小时的跳跃步态奔跑速度，并能够自主跳跃40厘米高的障碍（其腿长的80%）而持续奔跑。CheetahV3具有可以变形的膝关节，如图1.5右所示，配有亚马逊研发的ECHO智能音箱，可根据语音指示完成动作。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于SLIP模型的液压驱动单腿机器人竖直跳跃控制[J]. 陈志伟,金波,朱世强,庞云天,黄翰林,陈刚. 中南大学学报(自然科学版). 2018(01)
[2]四足机器人对角小跑步态下液压驱动单元位置伺服控制特性参数灵敏度研究[J]. 孔祥东,俞滨,权凌霄,巴凯先,李满天. 机器人. 2015(01)
[3]足式机器人单腿跳跃仿真与实验[J]. 钟建锋,罗欣,余益君. 机械与电子. 2014(04)
[4]基于Stribeck摩擦模型的系统模糊滑模控制[J]. 王洪剑,蒋帆. 四川兵工学报. 2013(07)
[5]浅析BigDog四足机器人[J]. 丁良宏,王润孝,冯华山,李军. 中国机械工程. 2012(05)
[6]液压驱动四足仿生机器人的结构设计和步态规划[J]. 李贻斌,李彬,荣学文,孟健. 山东大学学报(工学版). 2011(05)
[7]阀控非对称缸液压系统建模研究[J]. 孟亚东,李长春,张金英,刘晓东. 北京交通大学学报. 2009(01)
[8]四足机器人对角小跑步态的研究[J]. 陈佳品,程君实,冯萍,马培荪,潘俊民,席裕庚. 上海交通大学学报. 1997(06)
[9]近代液压伺服系统控制策略的现状与发展[J]. 李运华,史维祥,林廷圻. 液压与气动. 1995(01)
博士论文
[1]液压驱动单腿跳跃机器人控制系统研究[D]. 陈志伟.浙江大学 2016
[2]四足机器人主动柔顺及对角小跑步态运动控制研究[D]. 张国腾.山东大学 2016
[3]基于SLIP模型的四足机器人对角小跑步态控制研究[D]. 蒋振宇.哈尔滨工业大学 2014
[4]基于SLIP归约模型的足式机器人动步态控制研究[D]. 于海涛.哈尔滨工业大学 2014
硕士论文
[1]液压四足机器人柔顺性控制[D]. 柯贤锋.北京理工大学 2016
本文编号：3020906
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