气动单足机器人垂直跳跃动态特性的研究

发布时间：2017-09-06 18:32

  本文关键词：气动单足机器人垂直跳跃动态特性的研究

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【摘要】：足式行走型机器人所独有的小面积支撑、交叉跨步、跳跃越障的特点使其在占地广阔的田间、山地、废墟、战场等复杂恶劣环境中行进时具有轮式机器人无法比拟的优越性,足式机器人行进时支撑约束的多变以及与重心位置的复杂关系经常使其处于静态不稳定状态,而单足机器人是足式机器人中静态最不稳定的系统,研究单足机器人的跳跃能力和全局运动稳定性对足式机器人的发展具有重大的理论意义和实际价值。实现单足机器人自平衡稳定跳跃的关键技术包括具有较强缓冲能力与爆发力的跳跃技术和机身姿态检测与调整技术。针对由机身和通过球铰与之连接的弹跳腿组成的单足跳跃机器人,分析了用于调节弹跳腿相对机身摆动时摆角和方位角的伺服液压缸与机身和弹跳腿的连接方案,通过分析弹跳腿相对机身运动时各特征点所组成的直线和平面之间的几何关系,运用空间解析几何向量代数的运算法则,建立在两个液压缸驱动下弹跳腿相对机身摆动的运动学逆解和正解方程。设计了由四个超声波传感器组成的机身姿态检测系统和两个伺服液压缸组成的机身姿态调整系统,通过MATLAB仿真和SOLIDWORKS三维图解验证所做理论分析、动态建模和仿真结果的正确性。依据动力学、热力学和自动控制的基本理论,建立基于能量控制的气动位置伺服系统数学模型。通过对气缸活塞运动规律和气体作用规律的分析,建立气缸的动力学方程、能量方程、流量方程、温度方程和摩擦力方程,使用能量差PD算法控制活塞的定位过程。在MATLAB上建立腾空相弹跳腿气动位置伺服系统仿真模型并对活塞的定位过程和定位精度进行仿真研究。综合应用动力学、碰撞和自动控制理论以及气动伺服系统研究成果,建立单足机器人落地碰撞、触地相、起跳冲击和腾空相运动过程数学模型和垂直跳跃综合动态模型,在MATLAB上建立和调试联合仿真模型,对单足机器人垂直跳跃运动过程和动态参数的变化规律进行仿真研究,在理论上验证所建数学模型的正确性。对机器人前一周期跳跃高度、落地时刻气缸下腔预设气压和活塞预设相对坐标、触地相气缸上腔充排气起始气压、上下腔充排气转换相对坐标和节流口面积对机器人跳跃高度的影响规律进行仿真研究,寻找实现机器人稳定垂直跳跃的上述参数的可用区间和较佳区间。对机器人落地时刻气缸下腔预设气压和活塞预设相对坐标、触地相气缸上下腔充排气转换相对坐标对单足机器人落地碰撞和起跳冲击的影响规律进行仿真研究,寻找上述参数使机器人落地碰撞和起跳冲击更小的可用区间和较佳区间,为实现单足机器人连续稳定的垂直跳跃奠定理论基础。搭建由DSP控制系统、多传感器检测系统、气动位置伺服驱动系统和单足机器人机械本体组成的单足机器人垂直跳跃实验台,对机器人腾空相弹跳腿气动位置伺服系统的定位精度和动态特性、单足机器人垂直跳跃的动态特性和稳定性进行实验研究。实验研究机器人落地时刻气缸下腔预设气压和活塞预设相对坐标、气缸充排气起始时刻和时间、比例阀节流口有效面积对单足机器人跳跃高度的影响规律;实验研究落地时刻气缸下腔预设气压和活塞预设相对坐标、气缸上下腔充排气时间对机器人落地碰撞和起跳冲击的影响规律。通过与仿真结果对比,验证本文所建立的单足机器人腾空相气动位置伺服系统和垂直跳跃动态模型及仿真结果的正确性。通过对单足机器人运动学正解和逆解、机身姿态超声波检测和液压伺服调整系统、弹跳腿气动位置伺服系统和机器人连续稳定垂直跳跃进行动态建模、联合仿真和实验研究,完成机身姿态检测和调整系统的理论分析和验证,在理论和实验上实现单足机器人等高和变高连续稳定的垂直跳跃。
【关键词】：单足机器人 超声波姿态检测 垂直跳跃 液压伺服姿态调整 气缸活塞精确定位
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第1章 绪论14-27
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义14-15
• 1.2 单足机器人的发展概况15-20
• 1.2.1 国外研究现状15-19
• 1.2.2 国内研究现状19-20
• 1.3 单足机器人关键技术及其相关理论的发展20-25
• 1.3.1 气动技术概述20-22
• 1.3.2 液压技术概述22-23
• 1.3.3 多传感器数据融合概述23-24
• 1.3.4 机器人运动学解法概述24
• 1.3.5 跳跃机器人动态特性研究概述24-25
• 1.4 本文的主要研究内容25-27
• 第2章 机器人运动学分析及姿态检测与调整方法27-64
• 2.1 引言27
• 2.2 姿态调整机构分析及坐标系的建立27-31
• 2.2.1 单足机器人结构及姿态调整机构分析27-29
• 2.2.2 机器人坐标系的建立及初始参数的确定29-31
• 2.3 弹跳腿相对机身转动运动学方程31-41
• 2.3.1 机器人运动学逆解方程的推导32-37
• 2.3.2 机器人运动学正解方程的推导37-41
• 2.4 机器人运动学仿真与验证41-44
• 2.4.1 仿真模型的建立与调试41-42
• 2.4.2 运动学仿真分析42-43
• 2.4.3 运动学正解和逆解的三维图解验证43-44
• 2.5 触地相姿态调整系统动态模型的建立44-55
• 2.5.1 姿态检测及液压伺服系统动态模型44-48
• 2.5.2 姿态调整过程动力学方程48-52
• 2.5.3 姿态检测与调整控制算法方程52-55
• 2.6 触地相姿态调整过程动态仿真55-62
• 2.6.1 仿真模型的建立与调试55-56
• 2.6.2 机身姿态检测与调整过程仿真56-59
• 2.6.3 检测误差对机身姿态调整精度影响规律仿真59-62
• 2.7 本章小结62-64
• 第3章 气动弹跳腿腾空相活塞位置精确控制研究64-87
• 3.1 引言64
• 3.2 气动系统结构64
• 3.3 气缸数学模型的建立64-79
• 3.3.1 活塞运动方程65-66
• 3.3.2 气缸热力学方程66-79
• 3.4 控制算法方程的建立79-82
• 3.5 摩擦力补偿方程82-83
• 3.6 弹跳腿活塞定位精度仿真83-86
• 3.6.1 气动伸缩式弹跳腿气动系统仿真模型83-85
• 3.6.2 腾空阶段活塞定位精度仿真分析85-86
• 3.7 本章小结86-87
• 第4章 单足机器人垂直跳跃动态建模与仿真87-141
• 4.1 引言87
• 4.2 机器人运动过程动态模型的建立87-104
• 4.2.1 机器人垂直跳跃坐标系的建立及运动分析87-93
• 4.2.2 落地碰撞过程动态模型93-98
• 4.2.3 触地相运动过程动态模型98-101
• 4.2.4 起跳冲击及腾空相动态模型101-104
• 4.3 单足机器人垂直跳跃仿真模型与联合仿真104-140
• 4.3.1 机器人垂直跳跃仿真模型的建立104-108
• 4.3.2 机器人动态参数仿真及变化规律分析108-113
• 4.3.3 落地碰撞和起跳冲击影响因素分析与仿真113-119
• 4.3.4 跳跃高度影响因素分析与仿真119-135
• 4.3.5 实现 0.08m等高跳跃影响因素分析与仿真135-138
• 4.3.6 不同地面影响规律仿真与分析138-140
• 4.4 本章小结140-141
• 第5章 单足机器人垂直跳跃动态特性实验研究141-169
• 5.1 引言141
• 5.2 控制系统设计及实验台搭建141-150
• 5.2.1 控制系统设计141-144
• 5.2.2 实验台搭建及实验过程设计144-150
• 5.3 垂直跳跃实验台的调试及仿真结果验证150-156
• 5.3.1 控制程序的编写与实验台调试150-151
• 5.3.2 跳跃气缸活塞定位精度及时间实验151-152
• 5.3.3 单足机器人连续稳定跳跃实验152-156
• 5.4 机器人跳跃高度影响因素分析实验156-160
• 5.5 机器人落地碰撞和起跳冲击实验160-165
• 5.6 不同地面影响规律实验165-167
• 5.7 本章小结167-169
• 结论169-171
• 参考文献171-180
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果180-182
• 致谢182-183
• 个人简历183

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本文编号：804760