小型四足仿生机器人研制及控制策略研究
发布时间：2021-11-11 11:33
四足哺乳动物因其具有强大的运动能力和环境适应能力,从而广泛存活于地球上的每一片大陆。四足仿生机器人也具有相似的特性,现阶段四足仿生机器人逐渐应用于抢险救灾、军事侦查、线路巡检等复杂任务。本文研制了一款小型电动四足仿生机器人,面向非结构化地形,能够实现一定程度的越障、抗侧向冲击的功能。本文根据机器人的功能需要,进行关节模块的控制仿真和单关节柔顺控制、机电系统设计、系统建模分析、控制策略和相关仿真实验这几方面进行论述。关节驱动模块是机器人的动力源,为了进行关节驱动控制,进行关节驱动控制仿真研究。为了进一步满足机器人对柔顺性的需要,制定了单关节的PD控制策略,并应用模糊控制完成阻尼系数与刚度系数的匹配。四足仿生机器人是机械系统、电气系统高度耦合的系统,合理的机械和电气系统能有效实现机器人的功能。本文分析四足机器人的腿部构型,根据机器人腿部构型完成机器人腿部设计。膝关节采用带传动方式,将腿部质量集中于髋关节处,有效降低腿的惯量。此外机器人小腿采用弓形小腿结构,利于吸收能量冲击。电气系统是控制系统的基础,采用分层结构,以Up-board作为顶层控制器,STM32作为中间层控制器,电机驱动器作为底...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
基于ZMP方法
亟谏喜贾玫?宰榧??ü??宰榧??寤髯????允颇埽?迪忠欢?的柔顺效应，例如Parrt等人提出了串联弹性驱动器（SeriesElasticActuator,SEA）的概念[48]。主动柔顺机构通过控制关节电机的力矩和液压缸的驱动力，实现调节关节的刚度特性和阻尼特性。在运动控制方面，四足机器人主要有爬行步态（Crawl）、小跑步态（Trot）和跳跃步态（Bound）。目前国内外主要的运动控制方法，在静步行情况下，有基于零力矩点（ZMP）的稳定判据（ZMP位于足端支撑区域之内）用于足端轨迹规划，如图1-29所示[54]。图1-29基于ZMP方法图1-30CPG震荡神经网络在动步行情况下，有应用仿生原理的中枢神经结构（CPG）的控制算法，其模拟生物的节律行为，每条腿作为一个振荡器，每个振荡器中含有一组相互抑制的神
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-14-表2-1关节驱动模块参数属性参数槽极36N42P电阻179mΩ电机重量480g/560g额定电流10A额定功率240W最大电流（180s）15A最大功率（180s）360W最大扭矩7.9Nm2.3电机驱动原理仿真针对驱动模块的硬件，采用FOC控制算法，控制直轴电流为0，通过交轴电流控制电机力矩。控制方法的仿真能验证控制策略的正确性，这里采用MATLAB中的Simulink作为仿真工具，Simulink中提供了Park和Clark变换、三相逆变器和PMSM电机的模块，只需要修改相应参数即可使用，较为方便。搭建电机电流环仿真模型，进行阶跃指令电流和正弦指令电流仿真，控制系统建模如下图所示：图2-2电机电流环控制模型其中，电流环的控制周期为50us，阶跃指令电流响应仿真结果如图2-3（a）所示，阶跃指令电流大小为10A;正弦指令电流响应仿真结果如图2-3（b）所示，正弦指令电流频率为45Hz，幅值为10A。
【参考文献】：
期刊论文
[1]“绝影”机器人助力智慧安防[J]. 朱秋国. 中国测绘. 2019(03)
[2]仿生四足机器人嵌入式控制系统设计与实验分析[J]. 李锦方,王鹏,俞志伟,戴振东. 科学技术与工程. 2014(23)
[3]四足机器人的爬-站运动模式转换研究[J]. 周坤玲,张秀丽,龚加庆. 机电工程. 2013(01)
[4]基于VC++与PMAC的仿生四足机器人控制软件开发[J]. 丁希仑,张澈,陈浩. 机械制造与自动化. 2012(06)
[5]四足仿生机器人稳定性判定方法[J]. 王鹏飞,黄博,孙立宁. 哈尔滨工业大学学报. 2008(07)
[6]四足机器人动态步行仿真及步行稳定性分析[J]. 何冬青,马培荪. 计算机仿真. 2005(02)
[7]全方位四足步行机器人JTUWM－Ⅱ转弯步态控制的研究[J]. 马培荪,马烈. 上海交通大学学报. 1995(05)
博士论文
[1]林间四足步行机的步态规划与建模仿真研究[D]. 王慧.东北林业大学 2014
[2]四足机器人节律运动及环境适应性的生物控制研究[D]. 张秀丽.清华大学 2004
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]四足机器人的运动学分析与仿真研究[D]. 张玉刚.武汉理工大学 2012
[3]仿生机器蟹步行足协调运动控制系统研究[D]. 郝欣伟.哈尔滨工程大学 2007
本文编号：3488784
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
基于ZMP方法
亟谏喜贾玫?宰榧??ü??宰榧??寤髯????允颇埽?迪忠欢?的柔顺效应，例如Parrt等人提出了串联弹性驱动器（SeriesElasticActuator,SEA）的概念[48]。主动柔顺机构通过控制关节电机的力矩和液压缸的驱动力，实现调节关节的刚度特性和阻尼特性。在运动控制方面，四足机器人主要有爬行步态（Crawl）、小跑步态（Trot）和跳跃步态（Bound）。目前国内外主要的运动控制方法，在静步行情况下，有基于零力矩点（ZMP）的稳定判据（ZMP位于足端支撑区域之内）用于足端轨迹规划，如图1-29所示[54]。图1-29基于ZMP方法图1-30CPG震荡神经网络在动步行情况下，有应用仿生原理的中枢神经结构（CPG）的控制算法，其模拟生物的节律行为，每条腿作为一个振荡器，每个振荡器中含有一组相互抑制的神
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-14-表2-1关节驱动模块参数属性参数槽极36N42P电阻179mΩ电机重量480g/560g额定电流10A额定功率240W最大电流（180s）15A最大功率（180s）360W最大扭矩7.9Nm2.3电机驱动原理仿真针对驱动模块的硬件，采用FOC控制算法，控制直轴电流为0，通过交轴电流控制电机力矩。控制方法的仿真能验证控制策略的正确性，这里采用MATLAB中的Simulink作为仿真工具，Simulink中提供了Park和Clark变换、三相逆变器和PMSM电机的模块，只需要修改相应参数即可使用，较为方便。搭建电机电流环仿真模型，进行阶跃指令电流和正弦指令电流仿真，控制系统建模如下图所示：图2-2电机电流环控制模型其中，电流环的控制周期为50us，阶跃指令电流响应仿真结果如图2-3（a）所示，阶跃指令电流大小为10A;正弦指令电流响应仿真结果如图2-3（b）所示，正弦指令电流频率为45Hz，幅值为10A。
【参考文献】：
期刊论文
[1]“绝影”机器人助力智慧安防[J]. 朱秋国. 中国测绘. 2019(03)
[2]仿生四足机器人嵌入式控制系统设计与实验分析[J]. 李锦方,王鹏,俞志伟,戴振东. 科学技术与工程. 2014(23)
[3]四足机器人的爬-站运动模式转换研究[J]. 周坤玲,张秀丽,龚加庆. 机电工程. 2013(01)
[4]基于VC++与PMAC的仿生四足机器人控制软件开发[J]. 丁希仑,张澈,陈浩. 机械制造与自动化. 2012(06)
[5]四足仿生机器人稳定性判定方法[J]. 王鹏飞,黄博,孙立宁. 哈尔滨工业大学学报. 2008(07)
[6]四足机器人动态步行仿真及步行稳定性分析[J]. 何冬青,马培荪. 计算机仿真. 2005(02)
[7]全方位四足步行机器人JTUWM－Ⅱ转弯步态控制的研究[J]. 马培荪,马烈. 上海交通大学学报. 1995(05)
博士论文
[1]林间四足步行机的步态规划与建模仿真研究[D]. 王慧.东北林业大学 2014
[2]四足机器人节律运动及环境适应性的生物控制研究[D]. 张秀丽.清华大学 2004
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]四足机器人的运动学分析与仿真研究[D]. 张玉刚.武汉理工大学 2012
[3]仿生机器蟹步行足协调运动控制系统研究[D]. 郝欣伟.哈尔滨工程大学 2007
本文编号：3488784
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/zidonghuakongzhilunwen/3488784.html
