小型四足机器人的节律运动控制框架研究
发布时间：2021-07-27 10:16
相比野外探索及崎岖地形运输,室内及城市服务场景逐渐成为四足机器人的主要应用场景,而该场景更适合体型小巧、操作简易的中小型四足机器人。但是中小型机器人由于体型限制难以配备高性能传感器和执行器,且还需完成室内及城市服务场景的多种任务目标,这就给四足运动控制方法的简便性和有效性提出了新的要求。传统基于模型的分层优化控制虽然达到的动态控制性能优越,但是依赖于准确的物理建模和高性能的力矩驱动器;基于仿生概念的分布式关节控制虽然结构简单,但是依赖于经验化的调参过程,控制效果差强人意。这两种方法都不能很好地满足小型四足机器人在室内及其他规则环境下的多任务控制要求。针对以上问题,本文构建了一个基于仿生概念的具有并行结构的多单元节律运动生成框架。该仿生框架结合了传统的基于模型的控制方法以提升其对四足机器人的控制性能,进而综合了仿生控制方法的简单性和基于模型控制方法的有效性,更加适合小型四足机器人的多任务运动控制。根据运动基元的生物学概念,该框架通过定义机器人所需的基本运动和叠加运动,然后将他们线性叠加生成机器人行进所需的复杂运动。基本运动和叠加运动分别由多个平行的运动生成单元独立生成,他们的输出均为足底...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：166 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２?ＭＴＴＬｅｇＬａｂ研制的腿足式机器人??
繁变化??也需要驱动单元作出及时反应。一般的商用电机都难以满足以上要求，因此绝大部分高性??能四足机器人都使用了自行研发或定制的高功率驱动模块（大部分为低减速比的直流无??刷电机）。??美国宾夕法尼亚大学的Ｋｏｄ＊Ｌａｂ也研发了数款具有代表性的机器人。该实验室由??Ｄａｎｉｅｌ?Ｋｏｄｉｔｓｃｈｅｋ教授带领，主要研究内容为利用生物学概念研发具有高度灵活性的足式??机器人。??■歛，■?１?＊??（ａ）?Ｇｈｏｓｔ?Ｍｉｎｉｔａｕｒ?（ｈ）?Ｉｎｕ?（ｃ）?Ｘ－ＲＨｅｘ??图１．４?Ｋｏｄ＊Ｌａｂ研制的腿足式机器人??图１．４展示了三款由Ｋｏｄ＊Ｌａｂ研发的机器人：Ｃ！ｈｏｓｔ?Ｍｉｎｉｔａｕｒ１１、３６１?，Ｉｎｕｉ?丨和Ｘ－ＲＨｅｘ丨３９＿４１丨。??５??
体型限制，其控制算法主要集中于行走控制，包括爬行，对角??步态前行，上下斜坡和阶梯等。使用方法大多数为基于模型的运动规划算法，属于较为传??统的优化控制领域。该机器人也可以进行小幅度的跳跃运动，但是不同于一般机器人以前??后腿交替运动的仿兔式跳跃模式，ＨｙＱ探索了以两组对角腿交替运动的跳跃对角步态Ｉ％，??进而提升了一般对角步态的前进速度。遗憾的是，ＨｙＱ在多数文献中仍然需要外部电源??供电，不能像ＢｉｇＤｏｇ那样自主运行。??１?＿??（ａ）?ｉＣｕｂ?（ｂ）?Ｃｏｍａｎ??图１．６意大利技术学院研制的双足机器人??意大利技术学院还研发了两款著名的双足机器人ｉＣｕｂ和Ｃｏｍａｎ?（图１．６）。ｉＣｕｂｌ５５＿５７ｌ??与５岁儿童具有相同的身体外形，可以完成爬行，直立行走以及用手抓取等功能。该机器??人全身共具有５３个自由度，其中每只手都配备了?９个自由度，进而可以完成很多精巧的??手部运动。除了研究仿人机器人的基本运动规律之外，该机器的设计目的还包括通过模仿??儿童动作来理解人类大脑的认知发育过程。ｉＣｕｂ是一个完全开源机器人，代码和设计完全??公开，目前已经有３０台ｉＣｕｂ使用在欧盟、美国、韩国和日本的研究机构之中。Ｃｏｍａｎ机??器人是由欧盟ＡＭＡＲＳｉ项目资助研发的仿人机器人。ＡＭＡＲＳｉ项目１５８】旨在通过双足和四??足机器人的相关实验研究来实现机器运动技能灵活性和丰富性的进一步提升。Ｃｏｍａｎ机??器人高９５ｃｍ，重３１?Ｋｇ，全身共有２５个自由度，同时还配备了串联弹性关节用以探索被??动柔性控制的相关内容。传感器方面，该机器人在盆骨和胸部配备了惯性测量单元以检测??姿态，在毎个关节都配备了力矩传感器，脚
【参考文献】：
期刊论文
[1]高性能液压驱动四足机器人SCalf的设计与实现[J]. 柴汇,孟健,荣学文,李贻斌. 机器人. 2014(04)
[2]四足仿生机器人混联腿构型设计及比较[J]. 田兴华,高峰,陈先宝,齐臣坤. 机械工程学报. 2013(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]四足机器人运动规划及协调控制[D]. 蔡润斌.国防科学技术大学 2013
[3]SCalf液压驱动四足机器人的机构设计与运动分析[D]. 荣学文.山东大学 2013
硕士论文
[1]四足小象机器人实时控制系统的设计与研究[D]. 邓黎明.上海交通大学 2014
[2]基于运动约束的四足机器人生物运动规划方法[D]. 戴俊杰.国防科学技术大学 2013
本文编号：3305590
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：166 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２?ＭＴＴＬｅｇＬａｂ研制的腿足式机器人??
繁变化??也需要驱动单元作出及时反应。一般的商用电机都难以满足以上要求，因此绝大部分高性??能四足机器人都使用了自行研发或定制的高功率驱动模块（大部分为低减速比的直流无??刷电机）。??美国宾夕法尼亚大学的Ｋｏｄ＊Ｌａｂ也研发了数款具有代表性的机器人。该实验室由??Ｄａｎｉｅｌ?Ｋｏｄｉｔｓｃｈｅｋ教授带领，主要研究内容为利用生物学概念研发具有高度灵活性的足式??机器人。??■歛，■?１?＊??（ａ）?Ｇｈｏｓｔ?Ｍｉｎｉｔａｕｒ?（ｈ）?Ｉｎｕ?（ｃ）?Ｘ－ＲＨｅｘ??图１．４?Ｋｏｄ＊Ｌａｂ研制的腿足式机器人??图１．４展示了三款由Ｋｏｄ＊Ｌａｂ研发的机器人：Ｃ！ｈｏｓｔ?Ｍｉｎｉｔａｕｒ１１、３６１?，Ｉｎｕｉ?丨和Ｘ－ＲＨｅｘ丨３９＿４１丨。??５??
体型限制，其控制算法主要集中于行走控制，包括爬行，对角??步态前行，上下斜坡和阶梯等。使用方法大多数为基于模型的运动规划算法，属于较为传??统的优化控制领域。该机器人也可以进行小幅度的跳跃运动，但是不同于一般机器人以前??后腿交替运动的仿兔式跳跃模式，ＨｙＱ探索了以两组对角腿交替运动的跳跃对角步态Ｉ％，??进而提升了一般对角步态的前进速度。遗憾的是，ＨｙＱ在多数文献中仍然需要外部电源??供电，不能像ＢｉｇＤｏｇ那样自主运行。??１?＿??（ａ）?ｉＣｕｂ?（ｂ）?Ｃｏｍａｎ??图１．６意大利技术学院研制的双足机器人??意大利技术学院还研发了两款著名的双足机器人ｉＣｕｂ和Ｃｏｍａｎ?（图１．６）。ｉＣｕｂｌ５５＿５７ｌ??与５岁儿童具有相同的身体外形，可以完成爬行，直立行走以及用手抓取等功能。该机器??人全身共具有５３个自由度，其中每只手都配备了?９个自由度，进而可以完成很多精巧的??手部运动。除了研究仿人机器人的基本运动规律之外，该机器的设计目的还包括通过模仿??儿童动作来理解人类大脑的认知发育过程。ｉＣｕｂ是一个完全开源机器人，代码和设计完全??公开，目前已经有３０台ｉＣｕｂ使用在欧盟、美国、韩国和日本的研究机构之中。Ｃｏｍａｎ机??器人是由欧盟ＡＭＡＲＳｉ项目资助研发的仿人机器人。ＡＭＡＲＳｉ项目１５８】旨在通过双足和四??足机器人的相关实验研究来实现机器运动技能灵活性和丰富性的进一步提升。Ｃｏｍａｎ机??器人高９５ｃｍ，重３１?Ｋｇ，全身共有２５个自由度，同时还配备了串联弹性关节用以探索被??动柔性控制的相关内容。传感器方面，该机器人在盆骨和胸部配备了惯性测量单元以检测??姿态，在毎个关节都配备了力矩传感器，脚
【参考文献】：
期刊论文
[1]高性能液压驱动四足机器人SCalf的设计与实现[J]. 柴汇,孟健,荣学文,李贻斌. 机器人. 2014(04)
[2]四足仿生机器人混联腿构型设计及比较[J]. 田兴华,高峰,陈先宝,齐臣坤. 机械工程学报. 2013(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]四足机器人运动规划及协调控制[D]. 蔡润斌.国防科学技术大学 2013
[3]SCalf液压驱动四足机器人的机构设计与运动分析[D]. 荣学文.山东大学 2013
硕士论文
[1]四足小象机器人实时控制系统的设计与研究[D]. 邓黎明.上海交通大学 2014
[2]基于运动约束的四足机器人生物运动规划方法[D]. 戴俊杰.国防科学技术大学 2013
本文编号：3305590
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