气动肌肉四足机器人机构建模与运动控制

发布时间：2017-08-19 18:34

  本文关键词：气动肌肉四足机器人机构建模与运动控制

  更多相关文章： 气动肌肉(PM) 四足机器人 机构设计 PID 滑模变结构控制(SMC)

【摘要】：气动肌肉作为一种新型的具有仿生物肌肉特性的驱动器,正越来越多的被应用到足式机器人的研究中。本文在总结现有四足机器人机构的基础上,从仿生的角度出发,设计了一款气动肌肉驱动的四足机器人,并对其运动控制进行了研究。首先,在分析了自然界中四足生物关节配置形式的基础上,选择四足哺乳动物作为仿生对象,经过对腿部关节数目以及自由度进行适当简化,确定了机器人最终的关节配置形式;以德国牧羊犬的部分体形参数为参考,设计了两个拮抗式气动肌肉关节串联的二自由度腿部机构,并利用SolidWorks软件完成了机器人三维模型的整机装配;通过分析气动肌肉预收缩量与关节最大摆角的关系,对气动肌肉进行了选型;设计了机器人的控制系统,选取了系统的控制元件;对旋转电位器进行了标定实验,拟合得到其输出电压与转动角度的关系曲线。然后,建立了气动肌肉四足机器人单关节及单腿的拉格朗日动力学模型;设计了单关节及单腿的PID控制算法和滑模变结构控制(SMC)算法,利用MATLAB/Simulink分别搭建了仿真平台,并进行了单关节摆角的阶跃响应仿真、曲线跟踪仿真以及单腿摆动的曲线跟踪仿真;利用C++实现了PID控制和SMC控制算法,并开发了单关节及单腿摆动控制的VC++界面,进行了单关节摆角的阶跃响应实验、曲线跟踪实验以及单腿的曲线跟踪实验,并对相关实验结果进行了对比。最后,选用全肘式关节配置形式,制作了气动肌肉四足机器人样机,搭建了步态实验平台;设计了对角步态(trot)各关节的驱动函数,进行了机器人的步态实验。结果表明,机器人运动控制系统可完成四条腿的摆动控制,实现对角步态,所设计的机器人机构具备一定的行走能力。
【关键词】：气动肌肉(PM) 四足机器人 机构设计 PID 滑模变结构控制(SMC)
【学位授予单位】：中国计量学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-16
• 1 绪论16-30
• 1.1 课题背景16-17
• 1.2 气动肌肉研究现状17-19
• 1.2.1 气动肌肉发展历程17-18
• 1.2.2 气动肌肉控制方法研究现状18-19
• 1.3 四足机器人研究现状19-29
• 1.3.1 四足机器人驱动方式概述19-25
• 1.3.2 气动肌肉四足机器人研究现状25-29
• 1.4 主要研究内容29-30
• 2 气动肌肉四足机器人机构与控制系统设计30-45
• 2.1 气动肌肉四足机器人机构设计30-37
• 2.1.1 四足机器人关节配置形式30-31
• 2.1.2 四足机器人机构设计31-34
• 2.1.3 气动肌肉选型34-37
• 2.2 气动肌肉四足机器人控制系统设计37-44
• 2.2.1 控制系统原理设计37-38
• 2.2.2 控制阀选型38-39
• 2.2.3 角度传感器选型39-42
• 2.2.4 数据采集卡选型42-44
• 2.3 本章小结44-45
• 3 气动肌肉关节动力学建模与PID控制45-64
• 3.1 气动肌肉关节动力学建模45-50
• 3.1.1 单关节动力学建模45-47
• 3.1.2 单腿动力学建模47-50
• 3.2 关节PID控制仿真50-56
• 3.2.1 单关节PID控制原理50-51
• 3.2.2 单关节PID控制仿真51-54
• 3.2.3 单腿PID控制仿真54-56
• 3.3 关节PID控制实验56-63
• 3.3.1 单关节PID控制实现56-58
• 3.3.2 单关节PID控制实验及分析58-60
• 3.3.3 单腿PID控制实现60-61
• 3.3.4 单腿PID控制实验及分析61-63
• 3.4 本章小结63-64
• 4 气动肌肉关节滑模变结构控制64-82
• 4.1 滑模变结构控制原理64-66
• 4.1.1 滑模变结构理论概述及特点64
• 4.1.2 抖振问题64-65
• 4.1.3 滑模变结构控制原理65-66
• 4.2 关节滑模变结构控制仿真66-73
• 4.2.1 单关节控制器设计66-67
• 4.2.2 单关节滑模变结构控制仿真67-69
• 4.2.3 单腿控制器设计69-70
• 4.2.4 单腿滑模变结构控制仿真70-73
• 4.3 关节滑模变结构控制实验73-80
• 4.3.1 单关节滑模变结构控制实验73-76
• 4.3.2 单腿滑模变结构控制实验76-79
• 4.3.3 单关节PID与滑模变结构控制实验对比79-80
• 4.4 本章小结80-82
• 5 气动肌肉四足机器人行走实验82-87
• 5.1 行走实验平台的搭建82-83
• 5.2 对角步态行走实验83-86
• 5.2.1 对角步态关节驱动函数83-84
• 5.2.2 行走实验84-86
• 5.3 本章小结86-87
• 6 总结与展望87-89
• 6.1 总结87-88
• 6.2 展望88-89
• 参考文献89-94
• 作者简历94

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本文编号：702307