机器人仿肌弹性驱动理论及其运动柔顺化研究
发布时间：2021-11-07 05:50
机器人运动柔顺化是机器人科学和智能控制领域中重要的研究目标,也是先进制造系统中的关键技术,它要求机器人不但能够实现精确定位和稳定运动,同时还要能够实时做出调整动作以响应外界的条件变化。然而单纯依靠位置控制或力矩控制,不考虑外界环境作用对机器人运动的影响,相关反馈信息得不到及时收集和有效处理,无法满足机器人在复杂环境中运动自适应要求,而现有机器人的驱动方式和运动形式也存在柔性不足、刚性过大和能效偏低等缺点,无法有效地生成期望的柔顺运动,因此需要采用更为高级的驱动理论和智能控制策略来实现机器人的柔顺运动。相关研究表明在自然界中经过长时间的进化后,人体已经形成了一套复杂的高级运动组织系统,其中包含的肌肉-骨骼系统能够保证在运动过程中实现基于条件反射的快速响应动作以及持久稳定的节律行为,并且在高级神经系统的控制下,还能够根据环境条件的信息反馈做出适当的主动调整行为,具有很好的运动自发性和可控性。因而,可以通过模拟人体的关节驱动形式和动作姿态特点来实现机器人的运动柔顺化。本文首先对SEA串联弹性驱动器进行介绍,结合人体Hill型肌肉-肌腱组织模型探索出一种模仿肌肉力学结构及运动特征的弹性驱动方式...
【文章来源】： 大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：97 页
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究背景与意义
1.2 国内外研究现状
1.3 主要研究内容
1.4 本文组织结构
2 仿肌弹性驱动理论与应用
2.1 仿肌弹性驱动模型
2.1.1 SEA串联弹性驱动器
2.1.2 仿肌弹性驱动关节
2.1.3 动力学分析
2.2 动力学仿真验证
2.2.1 仿真建模
2.2.2驱动仿真实验
2.3 二自由度仿肌弹性驱动机器臂
2.3.1 控制方法
2.3.2 仿真实验
2.4 本章小结
3 多自由度仿肌弹性驱动机器人系统
3.1 人体运动系统建模
3.1.1 肌肉-骨骼运动系统
3.1.2 神经-肌肉-骨骼激励系统
3.1.3 关节刚度计算方法
3.2 仿人双足机器人运动系统建模
3.2.1 机器人运动仿真模型
3.2.2 机器人物理样机
3.2.3 模糊PID控制方法
3.3 实验验证与结果
3.3.1 步行运动仿真
3.3.2物理样机实验
3.4 本章小结
4 仿肌弹性驱动中非线问题探讨
4.1 单肌驱动非线模型
4.1.1 生物力学模型
4.1.2 输入-输出反馈线性化
4.1.3 模型预测控制
4.2 拮抗肌驱动非线模型
4.2.1 非线动力学模型
4.2.2 标准化模型
4.2.3 严格反馈形式
4.2.4 反演控制
4.3 本章小结
5 结论与展望
5.1 结论
5.2 创新点
5.3 展望
参考文献
附录 A 人体行走速度测量数据表
附录 B 机器人角度检测和扩展控制电路设计
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]仿生灵感下的弹性驱动器的研究综述 [J]. 魏敦文,葛文杰,高涛. 机器人. 2017(04)
[2]一种基于串联弹性驱动器的柔顺机械臂设计 [J]. 张秀丽,谷小旭,赵洪福,王昆. 机器人. 2016(04)
[3]运动生物力学仿真建模软件LifeMOD和OpenSim的建模比较 [J]. 戎科,钱竞光. 南京体育学院学报(自然科学版). 2015(05)
[4]新型串联弹性驱动器设计与速度控制 [J]. 朱秋国,熊蓉,吕铖杰,毛翊超. 电机与控制学报. 2015(06)
[5]基于包容球理论的大型桨叶去重平衡的优化研究 [J]. 何福本,梁延德,孙捷夫,王治雄,郭超. 机械工程学报. 2015(11)
[6]基于SEA的机器人仿肌弹性驱动关节研究 [J]. 何福本,梁延德,孙捷夫,郭超. 中国机械工程. 2014(07)
[7]串联弹性驱动器力驱动力学模型和稳定性分析 [J]. 马洪文,王立权,赵朋,俞林. 哈尔滨工程大学学报. 2012(11)
[8]磁旋转编码器在电动执行器中的应用 [J]. 庞杰,李德明,曾碚勇. 沈阳航空航天大学学报. 2012(04)
[9]基于模糊PID的助行外骨骼机器人控制研究 [J]. 钟翠华,沈林勇,任昭霖,邵文韫. 机电工程. 2011(07)
[10]双刚度弹性驱动器力学特性频域分析 [J]. 马洪文,尹博,王立权,尹铮,宋扬. 中国机械工程. 2009(09)
博士论文
[1]采用串联弹性驱动器的仿生腿足式机器人跳跃与自适应平衡控制研究[D]. 毛翊超.浙江大学 2018
硕士论文
[1]小型仿人机器人的控制与人体动作示教研究[D]. 石飞.上海交通大学 2013
[2]串联弹性驱动器动力学模型及其特性分析[D]. 赵朋.哈尔滨工程大学 2012
本文编号：3481288
【文章来源】： 大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：97 页
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究背景与意义
1.2 国内外研究现状
1.3 主要研究内容
1.4 本文组织结构
2 仿肌弹性驱动理论与应用
2.1 仿肌弹性驱动模型
2.1.1 SEA串联弹性驱动器
2.1.2 仿肌弹性驱动关节
2.1.3 动力学分析
2.2 动力学仿真验证
2.2.1 仿真建模
2.2.2驱动仿真实验
2.3 二自由度仿肌弹性驱动机器臂
2.3.1 控制方法
2.3.2 仿真实验
2.4 本章小结
3 多自由度仿肌弹性驱动机器人系统
3.1 人体运动系统建模
3.1.1 肌肉-骨骼运动系统
3.1.2 神经-肌肉-骨骼激励系统
3.1.3 关节刚度计算方法
3.2 仿人双足机器人运动系统建模
3.2.1 机器人运动仿真模型
3.2.2 机器人物理样机
3.2.3 模糊PID控制方法
3.3 实验验证与结果
3.3.1 步行运动仿真
3.3.2物理样机实验
3.4 本章小结
4 仿肌弹性驱动中非线问题探讨
4.1 单肌驱动非线模型
4.1.1 生物力学模型
4.1.2 输入-输出反馈线性化
4.1.3 模型预测控制
4.2 拮抗肌驱动非线模型
4.2.1 非线动力学模型
4.2.2 标准化模型
4.2.3 严格反馈形式
4.2.4 反演控制
4.3 本章小结
5 结论与展望
5.1 结论
5.2 创新点
5.3 展望
参考文献
附录 A 人体行走速度测量数据表
附录 B 机器人角度检测和扩展控制电路设计
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]仿生灵感下的弹性驱动器的研究综述 [J]. 魏敦文,葛文杰,高涛. 机器人. 2017(04)
[2]一种基于串联弹性驱动器的柔顺机械臂设计 [J]. 张秀丽,谷小旭,赵洪福,王昆. 机器人. 2016(04)
[3]运动生物力学仿真建模软件LifeMOD和OpenSim的建模比较 [J]. 戎科,钱竞光. 南京体育学院学报(自然科学版). 2015(05)
[4]新型串联弹性驱动器设计与速度控制 [J]. 朱秋国,熊蓉,吕铖杰,毛翊超. 电机与控制学报. 2015(06)
[5]基于包容球理论的大型桨叶去重平衡的优化研究 [J]. 何福本,梁延德,孙捷夫,王治雄,郭超. 机械工程学报. 2015(11)
[6]基于SEA的机器人仿肌弹性驱动关节研究 [J]. 何福本,梁延德,孙捷夫,郭超. 中国机械工程. 2014(07)
[7]串联弹性驱动器力驱动力学模型和稳定性分析 [J]. 马洪文,王立权,赵朋,俞林. 哈尔滨工程大学学报. 2012(11)
[8]磁旋转编码器在电动执行器中的应用 [J]. 庞杰,李德明,曾碚勇. 沈阳航空航天大学学报. 2012(04)
[9]基于模糊PID的助行外骨骼机器人控制研究 [J]. 钟翠华,沈林勇,任昭霖,邵文韫. 机电工程. 2011(07)
[10]双刚度弹性驱动器力学特性频域分析 [J]. 马洪文,尹博,王立权,尹铮,宋扬. 中国机械工程. 2009(09)
博士论文
[1]采用串联弹性驱动器的仿生腿足式机器人跳跃与自适应平衡控制研究[D]. 毛翊超.浙江大学 2018
硕士论文
[1]小型仿人机器人的控制与人体动作示教研究[D]. 石飞.上海交通大学 2013
[2]串联弹性驱动器动力学模型及其特性分析[D]. 赵朋.哈尔滨工程大学 2012
本文编号：3481288
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