具有主-被动变刚度柔性关节的四足机器人运动控制研究
发布时间：2021-06-20 10:03
四足机器人拥有灵活的运动形式和优异的地面适应能力,近年来一直是机器人研究领域的热点,拥有广阔的应用前景。由于工作环境的未知复杂性,传统的刚性四足机器人在缓和地面冲击力、提高能量利用率等方面表现越来越乏力,本文设计了一款基于主-被动变刚度柔性关节apVSJ（Active and Passive Variable Stiffness Joint）的四足仿生机器人样机,并以提高在未知复杂环境下的自适应能力为目标开展了四足机器人自适应稳定行走的运动控制策略研究。主要研究内容和创新性成果如下:1.四足机器人模型建立。首先对带有apVSJ的单腿进行了简化假设,然后进行了数学模型分析,运用拉格朗日法建立了单腿的动力学方程。建立了由直流伺服电机、谐波减速器、apVSJ和负载组成的电驱动单元数学模型,通过MATLAB仿真分析了电驱动单元的输出特性。2.运动控制策略研究。通过对自然界中生物步态的分析最终选取了对角小跑步态作为四足机器人的运动步态。借鉴Raibert的控制解耦思想,采用着地相和腾空相两个独立的运动控制策略,设计了一款能够实现四足机器人在未知复杂环境下运动的控制策略。通过Simulink-AD...
【文章来源】：河北工业大学天津市 211工程院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
WalkingTruck机器人1977年McGhee和Frank研制的“PhonyPony”机器人[14]标志着计算机技术控制
河北工业大学硕士学位论文-3-来看该步行机器人严格来说只能算是一台“机器”，不具备自主行走的能力，但WalkingTruck仍被视为四足机器人发展史上的一个重要里程碑。图1.1WalkingTruck机器人1977年McGhee和Frank研制的“PhonyPony”机器人[14]标志着计算机技术控制机器人的开始。该机器人单腿三自由度关节均由逻辑电路组成的状态机组成，每个状态的发生由前一个状态触发，因此其运动形式固定，运动行为受到较大的限制。直到二十世纪80年代，随着传感技术、驱动方式和计算机技术的迅猛发展，四足机器人的研究获得了飞跃式的发展，其中日本东京工业大学、早稻田大学和美国MIT等机构的研究最具代表性。日本东京工业大学十几年的时间设计出了八款TITAN机器人，TITAN系列机器人如图1.2所示。例如TITAN-Ⅲ四足机器人[15]采用足端力传感器、位姿传感器等集成度更高的传感技术大大提高了机器人静步态下的环境适应能力；TITAN-Ⅶ四足机器人[16]主要面向倾斜地面，采用特定控制算法环境适应能力更强经过多年的积累，到1996年该校发明了性能更加优异的第八代机器人TITAN-Ⅷ[17]，该机器人具有12个自由度，采用新型的直流电机驱动，重40公斤，同样采用了静步态规划设计，速度最快可达0.9m/s。该机器人将足端力传感器和信号处理系统集成到了一起，可以自动检测足端与地面的接触状态，大大减轻了主控制器的工作负担，提高了整机的工作效率。图1.2TITAN系列机器人上世纪八十年代开始，美国MIT的Raibert团队相继研制出了基于弹簧倒立摆模型（SLIP）的单足跳跃机器人以及双足、四足机器人[18]，如图1.3所示。该四足机器人的控制策略与单腿跳跃机器人相同都是基于虚拟腿的平衡控制策略[42]，采用液压驱
具有主-被动变刚度柔性关节的四足机器人运动控制研究-4-动，大大提高了系统的负载能力，小腿处安有气缸作为弹性缓冲元件；单腿有三个自由度，能够实现溜步、对角小跑、奔跑三种步态的稳定行走。图1.3Raibert团队研制的单足、双足以及四足机器人进入二十世纪九十年代，四足机器人的研究逐步向从已知环境到未知环境、从结构化环境到非结构化环境延伸，以1998年德国研制的BISAM四足机器人[19,20]最具代表性，如图1.4所示。该机器人整机具有16个自由度，其机身结构特点与四足生物本身结构比较相似。机身内部装有控制器、驱动器、电池和摄像头等零件，采用多层级控制，具有一定的视觉处理能力，基本能够实现对四足机器人的实时控制。图1.4BISAM机器人2005年美国波士顿动力公司发布了一款震惊中外的仿生四足机器人“BigDog”[21-23]，如图1.5所示。BigDog堪称科学理论与实践的完美结合，“仿生”一词开始在四足领域得到广泛关注。BigDog集合了机械设计、多传感系统、计算机技术、控制理论、优异算法等诸多先进技术，被公认为世界最佳。机身高0.9m，长1m，宽0.3m，重109kg，最大负载150kg，速度可达2.2m/s。该机器人四肢关节通过液压驱动获得强劲的动力，通过陀螺仪、加速仪等传感器协助计算机计算分析可以自主调整机身平衡。面对雪地、冰面、崎岖路面、山坡等复杂的非结构化环境，表现出了非常出色的适应能力和自我平衡调节能力，在机动性能、负载能力、自我恢复等方面远优于其他同期产品。时至现在BigDog的控制算法仍然是各国学者效仿的对象。到2011年，波士顿动力公司又发布了BigDog的升级版-Alphadog[24]，如图1.6所示，该款机器人具有更强的负载能力和环境适应能力。在之后，MIT研制的仿猎豹机器人Cheetah[25,26]向高
【参考文献】：
期刊论文
[1]从Big Dog到Spot Mini:波士顿动力四足机器人进化史[J]. 刘京运. 机器人产业. 2018(02)
[2]仿猎豹四足机器人结构设计与分析[J]. 马宗利,吕荣基,刘永超,张培强,王建明. 北京理工大学学报. 2018(01)
[3]BigDog四足机器人关键技术研究[J]. 贾伟杰. 信息通信. 2018(01)
[4]Bionic Quadruped Robot Dynamic Gait Control Strategy Based on Twenty Degrees of Freedom[J]. Dawei Gong,Peng Wang,Shuangyu Zhao,Li Du,Yu Duan. IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica. 2018(01)
[5]四足机器人步态规划[J]. 孙志远,杨思源. 黑龙江大学自然科学学报. 2017(06)
[6]基于生物反射模型的四足机器人坡面运动控制与越障研究[J]. 葛卓,罗庆生,贾燕,李华师. 东南大学学报(自然科学版). 2017(04)
[7]主-被动复合变刚度柔性关节设计与分析[J]. 史延雷,张小俊,张明路. 机械工程学报. 2018(03)
[8]浙大“赤兔”机器人荣获设计展示奖[J]. 机器人技术与应用. 2017(03)
[9]具有柔性关节的四足机械腿设计与分析[J]. 史延雷,张明路,张小俊. 华中科技大学学报(自然科学版). 2017(03)
[10]基于虚拟模型控制的四足机器人缓冲策略[J]. 刘斌,荣学文,柴汇. 机器人. 2016(06)
博士论文
[1]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
[2]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
[3]四足机器人稳定行走规划及控制技术研究[D]. 王鹏飞.哈尔滨工业大学 2007
硕士论文
[1]四足仿生机器人跑跳运动规划与控制[D]. 李川.浙江大学 2017
[2]基于SLIP的四足机器人对角小跑运动控制仿真研究[D]. 周博.华中科技大学 2014
本文编号：3238985
【文章来源】：河北工业大学天津市 211工程院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
WalkingTruck机器人1977年McGhee和Frank研制的“PhonyPony”机器人[14]标志着计算机技术控制
河北工业大学硕士学位论文-3-来看该步行机器人严格来说只能算是一台“机器”，不具备自主行走的能力，但WalkingTruck仍被视为四足机器人发展史上的一个重要里程碑。图1.1WalkingTruck机器人1977年McGhee和Frank研制的“PhonyPony”机器人[14]标志着计算机技术控制机器人的开始。该机器人单腿三自由度关节均由逻辑电路组成的状态机组成，每个状态的发生由前一个状态触发，因此其运动形式固定，运动行为受到较大的限制。直到二十世纪80年代，随着传感技术、驱动方式和计算机技术的迅猛发展，四足机器人的研究获得了飞跃式的发展，其中日本东京工业大学、早稻田大学和美国MIT等机构的研究最具代表性。日本东京工业大学十几年的时间设计出了八款TITAN机器人，TITAN系列机器人如图1.2所示。例如TITAN-Ⅲ四足机器人[15]采用足端力传感器、位姿传感器等集成度更高的传感技术大大提高了机器人静步态下的环境适应能力；TITAN-Ⅶ四足机器人[16]主要面向倾斜地面，采用特定控制算法环境适应能力更强经过多年的积累，到1996年该校发明了性能更加优异的第八代机器人TITAN-Ⅷ[17]，该机器人具有12个自由度，采用新型的直流电机驱动，重40公斤，同样采用了静步态规划设计，速度最快可达0.9m/s。该机器人将足端力传感器和信号处理系统集成到了一起，可以自动检测足端与地面的接触状态，大大减轻了主控制器的工作负担，提高了整机的工作效率。图1.2TITAN系列机器人上世纪八十年代开始，美国MIT的Raibert团队相继研制出了基于弹簧倒立摆模型（SLIP）的单足跳跃机器人以及双足、四足机器人[18]，如图1.3所示。该四足机器人的控制策略与单腿跳跃机器人相同都是基于虚拟腿的平衡控制策略[42]，采用液压驱
具有主-被动变刚度柔性关节的四足机器人运动控制研究-4-动，大大提高了系统的负载能力，小腿处安有气缸作为弹性缓冲元件；单腿有三个自由度，能够实现溜步、对角小跑、奔跑三种步态的稳定行走。图1.3Raibert团队研制的单足、双足以及四足机器人进入二十世纪九十年代，四足机器人的研究逐步向从已知环境到未知环境、从结构化环境到非结构化环境延伸，以1998年德国研制的BISAM四足机器人[19,20]最具代表性，如图1.4所示。该机器人整机具有16个自由度，其机身结构特点与四足生物本身结构比较相似。机身内部装有控制器、驱动器、电池和摄像头等零件，采用多层级控制，具有一定的视觉处理能力，基本能够实现对四足机器人的实时控制。图1.4BISAM机器人2005年美国波士顿动力公司发布了一款震惊中外的仿生四足机器人“BigDog”[21-23]，如图1.5所示。BigDog堪称科学理论与实践的完美结合，“仿生”一词开始在四足领域得到广泛关注。BigDog集合了机械设计、多传感系统、计算机技术、控制理论、优异算法等诸多先进技术，被公认为世界最佳。机身高0.9m，长1m，宽0.3m，重109kg，最大负载150kg，速度可达2.2m/s。该机器人四肢关节通过液压驱动获得强劲的动力，通过陀螺仪、加速仪等传感器协助计算机计算分析可以自主调整机身平衡。面对雪地、冰面、崎岖路面、山坡等复杂的非结构化环境，表现出了非常出色的适应能力和自我平衡调节能力，在机动性能、负载能力、自我恢复等方面远优于其他同期产品。时至现在BigDog的控制算法仍然是各国学者效仿的对象。到2011年，波士顿动力公司又发布了BigDog的升级版-Alphadog[24]，如图1.6所示，该款机器人具有更强的负载能力和环境适应能力。在之后，MIT研制的仿猎豹机器人Cheetah[25,26]向高
【参考文献】：
期刊论文
[1]从Big Dog到Spot Mini:波士顿动力四足机器人进化史[J]. 刘京运. 机器人产业. 2018(02)
[2]仿猎豹四足机器人结构设计与分析[J]. 马宗利,吕荣基,刘永超,张培强,王建明. 北京理工大学学报. 2018(01)
[3]BigDog四足机器人关键技术研究[J]. 贾伟杰. 信息通信. 2018(01)
[4]Bionic Quadruped Robot Dynamic Gait Control Strategy Based on Twenty Degrees of Freedom[J]. Dawei Gong,Peng Wang,Shuangyu Zhao,Li Du,Yu Duan. IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica. 2018(01)
[5]四足机器人步态规划[J]. 孙志远,杨思源. 黑龙江大学自然科学学报. 2017(06)
[6]基于生物反射模型的四足机器人坡面运动控制与越障研究[J]. 葛卓,罗庆生,贾燕,李华师. 东南大学学报(自然科学版). 2017(04)
[7]主-被动复合变刚度柔性关节设计与分析[J]. 史延雷,张小俊,张明路. 机械工程学报. 2018(03)
[8]浙大“赤兔”机器人荣获设计展示奖[J]. 机器人技术与应用. 2017(03)
[9]具有柔性关节的四足机械腿设计与分析[J]. 史延雷,张明路,张小俊. 华中科技大学学报(自然科学版). 2017(03)
[10]基于虚拟模型控制的四足机器人缓冲策略[J]. 刘斌,荣学文,柴汇. 机器人. 2016(06)
博士论文
[1]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
[2]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
[3]四足机器人稳定行走规划及控制技术研究[D]. 王鹏飞.哈尔滨工业大学 2007
硕士论文
[1]四足仿生机器人跑跳运动规划与控制[D]. 李川.浙江大学 2017
[2]基于SLIP的四足机器人对角小跑运动控制仿真研究[D]. 周博.华中科技大学 2014
本文编号：3238985
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