液压驱动四足机器人柔顺及力控制方法的研究与实现

发布时间：2018-01-18 05:13

本文关键词：液压驱动四足机器人柔顺及力控制方法的研究与实现　出处：《山东大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：制造出人工的、拥有腿足结构的、类似于动物的智慧代步机械,比肩造物主,一直是人类从古至今从未间断过的梦想,这一梦想持续的时间恐怕比人类翱翔于蓝天的梦想还要长。BigDog的出现犹如一针兴奋剂,在全世界范围内掀起了一股四足机器人研究的热潮。然而,在现今的科技水平下,人类能够制造出怎样的腿足移动机械,这些腿足机械又能够帮助人类发现什么或者完成什么工作呢?这些腿足式的移动机械与我们现有的车辆等运输工具相比,又有哪些优势呢?面对这一课题的挑战,我们设计并研制成功了SCalf液压驱动四足机器人。本文针对SCalf研制过程中的系统结构设计、柔顺控制方法设计与实现以及基于平面模型的跳跃控制三个方面展开论述,主要内容如下：1、针对SCalf机器人本体各个子系统的分布特点,设计了具有双CAN总线的集中式控制系统,并进行了工程实现工作；随后以提高伺服带宽、实现关节力矩控制为目标,在原有集中控制的基础上,对伺服系统进行了分布式、数字化改造,同时设计了基于该系统的分布式控制方法；基于上述分布式系统中的单腿伺服控制器,设计并实现了面向力控制的单腿测试平台。2、基于牛顿-欧拉方法建立单腿系统的动基座动力学模型；设计开发了基于足底力检测与关节位置控制的足端阻抗柔顺控制方法、基于足底力推算与关节位置控制的足端阻抗柔顺控制方法、基于虚拟模型及关节力控制的足端柔顺控制方法,完成仿真分析及实验验证,并应用于SCalf-Ⅱ平台上崎岖地形行走控制中。3、基于虚拟模型控制与能量规划的方法,对以trot步态运动的机器人奔跑及跳跃控制进行了研究,并在虚拟物理环境中进行了仿真实验；通过对机器人躯干姿态的检测,增强了该方法对崎岖地形的适应能力；在文中所提方法的假设条件不满足的情况下,对该方法的鲁棒性进行了实验与分析。通过以上的研究,本文的研究成果如下：1、设计并实现了基于双CAN总线的液压四足机器人集中式控制系统,并在其基础上首次在液压驱动大型四足机器人上实现了基于现场总线与单腿伺服控制器的分布式控制系统,并提出了适合四足机器人的分布式控制构架。2、搭建了室内液压驱动的平面单腿测试平台,开展了面向全力矩控制的单腿运动实验以及足地交互效果实验。3、基于牛顿-欧拉方法建立了单腿动基座动力学模型,以此为基础进行了基于足底力检测、足底力推算以及虚拟模型的腿足柔顺控制实验,提出了适合SCalf-Ⅱ型四足机器人的柔顺控制方法,并应用于SCalf-Ⅱ平台上崎岖地形行走控制中,效果良好。4、提出了基于虚拟模型及能量规划的四足机器人平面跳跃控制方法,该方法适应于崎岖地形,具有很好的鲁棒性和工程可实现性。本文在针对学术问题进行研究的同时,将实现成本与制造、维护难度等因素考虑进来,并通过虚拟物理仿真环境实验和物理样机实验,证明了结论具有很强的可实现性。
[Abstract]:This paper discusses the design and realization of robot running and jumping control based on virtual model and joint force control based on virtual model and joint force control . The research results are as follows : 1 . Based on the research of virtual model control and energy planning , the research results are as follows : 1 . Design and implementation of hydraulic four - legged robot based on dual CAN bus Based on the Newton - Euler method , a method for controlling the planar jump of a four - legged robot based on virtual model and energy planning has been developed .

【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242

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