液壓驅(qū)動(dòng)單腿跳躍機(jī)器人控制系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著多足機(jī)器人研究的不斷深入，多足機(jī)器人研究領(lǐng)域?qū)⒍嘧銠C(jī)器人的研究聚焦于四類研究方向:一類是具備大負(fù)載運(yùn)輸能力，且可進(jìn)入輪式車輛不能到達(dá)地形的多足機(jī)器人研究;一類是具有快速、高效和全地形適應(yīng)能力的多足機(jī)器人，機(jī)器人在復(fù)雜崎嶇地形條件下也具有較高的適應(yīng)能力;一類是基于仿生學(xué)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研發(fā)具備快速奔跑能力的機(jī)器人，提高多足機(jī)器人奔跑速度;一類是具備多種步態(tài)運(yùn)動(dòng)能力的多足機(jī)器人，特別是地面適應(yīng)能力強(qiáng)的動(dòng)態(tài)步態(tài)。上述四類機(jī)器人研究方向都涉及

2、足式機(jī)器人最核心的共性研究——足式機(jī)器人動(dòng)態(tài)步態(tài)研究，而單腿跳躍機(jī)器人只有一種步態(tài)，即動(dòng)態(tài)跳躍步態(tài)，同時(shí)它結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，易于控制與操作，是進(jìn)行足式機(jī)器人動(dòng)態(tài)步態(tài)研究的理想平臺(tái)。
　　單腿跳躍機(jī)器人的跳躍運(yùn)動(dòng)與多足機(jī)器人動(dòng)態(tài)步態(tài)運(yùn)動(dòng)的單腿運(yùn)動(dòng)過程一致，周期性得在空中相和著地相交替變換，涵蓋跳躍步態(tài)運(yùn)動(dòng)中的單腿運(yùn)動(dòng)過程的所有事件，跳躍過程中與環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)交互，發(fā)生接觸、摩擦、碰撞等。本論文系統(tǒng)性得開展單腿跳躍機(jī)器人控制系統(tǒng)研究，包括單

3、腿跳躍機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、接觸模型，機(jī)器人測(cè)控系統(tǒng)，機(jī)器人豎直跳躍控制，柔順著地等，通過仿真和實(shí)驗(yàn)兩種途徑對(duì)提出的控制方法和理論研究進(jìn)行論證，為后續(xù)多足機(jī)器人動(dòng)態(tài)步態(tài)研究提供基礎(chǔ)研究支撐。
　　本論文由七部分組成:
　　第1章介紹了課題研究的背景和意義，在大量文獻(xiàn)檢索的基礎(chǔ)上綜述了國(guó)內(nèi)外單腿跳躍機(jī)器人發(fā)展概況，解析了單腿跳躍機(jī)器人研究的3條路線。從伸縮腿型單腿跳躍控制、關(guān)節(jié)型單腿跳躍控制以及足式跳躍柔順著地控制三個(gè)方面介紹

4、了國(guó)內(nèi)外單腿跳躍機(jī)器人跳躍控制研究概況，分析了國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。以為多足機(jī)器人動(dòng)態(tài)步態(tài)運(yùn)動(dòng)研究提供基礎(chǔ)研究支撐為出發(fā)點(diǎn)，提出了本課題的相關(guān)研究?jī)?nèi)容，構(gòu)成了液壓驅(qū)動(dòng)單腿跳躍機(jī)器人系統(tǒng)性研究的總體框架。
　　第2章針對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)單腿跳躍機(jī)器人本體設(shè)計(jì)，提出了從仿生學(xué)的兩個(gè)方面對(duì)單腿跳躍機(jī)器人展開仿生學(xué)設(shè)計(jì)研究的思路，研究分析大型犬后腿的骨骼結(jié)構(gòu)及關(guān)節(jié)角度為單腿跳躍機(jī)器人的連桿長(zhǎng)度與布置提供設(shè)計(jì)依據(jù);研究分析大型犬的跳躍步態(tài)在著

5、地相時(shí)的關(guān)節(jié)角度變化以及足端在著地相時(shí)期所受地面反力的大小，為單腿跳躍機(jī)器人液壓執(zhí)行器參數(shù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。基于設(shè)計(jì)參數(shù)運(yùn)用SolidWorks軟件完成虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)，得到質(zhì)量屬性參數(shù)，在Matlab/Simulink軟件中實(shí)現(xiàn)機(jī)器人動(dòng)態(tài)跳躍仿真，驗(yàn)證單腿機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓執(zhí)行器設(shè)計(jì)參數(shù)的可行性，同時(shí)確定液壓系統(tǒng)參數(shù)，為液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。
　　設(shè)計(jì)的液壓驅(qū)動(dòng)單腿跳躍機(jī)器人包含2個(gè)主動(dòng)自由度，分別為髖關(guān)節(jié)矢狀面內(nèi)的伸展和收縮自由度以及膝關(guān)

6、節(jié)矢狀面內(nèi)的伸展和收縮自由度，單腿跳躍機(jī)器人上下腿長(zhǎng)度為0.35m、髖關(guān)節(jié)角度范圍為[-50°，70°]，膝關(guān)節(jié)角度范圍為[-140°，-20°];液壓缸活塞直徑為0.02m、活塞桿直徑為0.01 m，活塞桿行程為0.1m;液壓系統(tǒng)壓力16 MPa下系統(tǒng)平均流量為5.6×10-5 m3/s。
　　根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)最終完成液壓驅(qū)動(dòng)單腿跳躍機(jī)器人平臺(tái)的設(shè)計(jì)，包含單腿跳躍機(jī)器人本體、液壓系統(tǒng)以及測(cè)控系統(tǒng)。
　　第3章理解并分析跳躍機(jī)理

7、的基礎(chǔ)上建立單腿跳躍機(jī)器人豎直跳躍的動(dòng)力學(xué)模型以及機(jī)器人關(guān)節(jié)液壓執(zhí)行器非線性動(dòng)力學(xué)模型，建立足端與環(huán)境接觸的軟接觸模型和硬接觸模型，得到兩種模型下地面對(duì)足端的作用力;采用單腿足端位置過0和地面對(duì)足端作用力過0兩種方法給出機(jī)器人跳躍起跳和著地條件。在Matlab/Simulink仿真軟件中整合單腿跳躍機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型、液壓執(zhí)行器動(dòng)力學(xué)模型、足端與環(huán)境接觸的接觸模型以及機(jī)器人控制模塊4個(gè)模塊，形成單腿跳躍機(jī)器人豎直跳躍動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)。

8、　　第4章基于著地相運(yùn)動(dòng)規(guī)劃實(shí)現(xiàn)液壓驅(qū)動(dòng)單腿跳躍機(jī)器人豎直跳躍控制，擴(kuò)展了單腿跳躍機(jī)器人豎直跳躍著地相運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，分析了SLIP模型、質(zhì)量—彈簧—阻尼模型、質(zhì)心正弦豎直跳躍并求解其動(dòng)力學(xué)微分方程得到質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡，笛卡爾空間下將單腿機(jī)器人豎直跳躍髖部的運(yùn)動(dòng)軌跡分別映射到SLIP模型、質(zhì)心正弦運(yùn)動(dòng)模型質(zhì)心彈跳的運(yùn)動(dòng)軌跡;關(guān)節(jié)空間下對(duì)機(jī)器人單腿關(guān)節(jié)基于正弦函數(shù)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃實(shí)現(xiàn)機(jī)器人豎直跳躍。空中相和著地相分別采用PID控制器和PD控制器對(duì)機(jī)器人

9、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤控制，在單腿跳躍機(jī)器人動(dòng)態(tài)跳躍仿真平臺(tái)以及跳躍機(jī)器人平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人持續(xù)穩(wěn)定的跳躍。
　　第5章針對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)單腿跳躍機(jī)器人柔順著地，緩解液壓驅(qū)動(dòng)單腿跳躍機(jī)器人著地瞬間足端沖擊對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)及運(yùn)動(dòng)控制的影響，提出了2種解決方案:第1種通過設(shè)計(jì)液壓驅(qū)動(dòng)單腿機(jī)器人執(zhí)行器單元的阻尼孔以緩節(jié)機(jī)器人足端受到著地沖擊時(shí)在液壓缸無桿腔形成的液壓沖擊，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人柔順著地的目的;第2種基于空中相關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的機(jī)器人柔順著地控制，從機(jī)器

10、人足端著地瞬間的動(dòng)力學(xué)著手分析足式機(jī)器人柔順著地條件，通過機(jī)器人空中相關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃實(shí)現(xiàn)機(jī)器人柔順著地。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明液壓驅(qū)動(dòng)單腿機(jī)器人執(zhí)行器單元增加阻尼孔后機(jī)器人著地瞬間液壓沖擊緩解效果明顯，相同阻尼孔直徑下，機(jī)器人從同一高度無初速度自由下落，采用主動(dòng)柔順控制策略機(jī)器人足端著地瞬間足端沖擊比關(guān)節(jié)位置控制策略小?；诳罩邢嚓P(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的機(jī)器人柔順著地控制方法，結(jié)合第一種柔順控制方法，液壓驅(qū)動(dòng)單腿機(jī)器人執(zhí)行器單元含有直徑為1mm的

11、阻尼孔，單腿跳躍機(jī)器人豎直跳躍實(shí)驗(yàn)表明采用柔順著地控制后機(jī)器人著地瞬間液壓缸無桿腔壓力從6 MPa減小為5 MPa，緩解壓力沖擊效果明顯。
　　第6章基于主動(dòng)柔順控制進(jìn)行液壓驅(qū)動(dòng)單腿跳躍機(jī)器人跳躍控制，主動(dòng)柔順控制策略是一種典型串級(jí)控制結(jié)構(gòu)，外環(huán)根據(jù)機(jī)器人的相態(tài)可采用不同的柔順控制策略，內(nèi)環(huán)采用力控制策略，包括液壓力控制和負(fù)載力控制。著地相采用虛擬模型控制，從液壓執(zhí)行器非線性動(dòng)力學(xué)模型著手分別推導(dǎo)得到液壓力跟蹤和負(fù)載力跟蹤控制方式