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《哈尔滨工业大学》 2018年
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基于虚拟模型和阻抗控制的四足液压驱动机器人行走研究

李鑫  
【摘要】:足式机器人具有很强运动灵活性、环境适应性,可以相对容易的进入较复杂的现场环境,如地震现场、山地丛林。四足机器人作为足式机器人一个重要的分支,其在军事、商业、娱乐等众多领域中有着广阔的应用前景,因此得到了广大学者的普遍关注,近些年来得到了极大地发展,尤其是美国波士顿动力公司的Big Dog机器人的问世,将四足机器人的理论研究推向了一个新的高度。四足机器人控制技术作为一项新兴的技术,对该技术进行储备是非常重要的。我国的四足机器人控制技术水平与美国等发达国家仍然存在较大差距。国内现有的四足机器人普遍存在非平坦路面动态行走抗扰动能力弱的问题。因此本文从现有的问题出发,提出并构建了四足机器人分层控制框架,旨在提高四足机器人动态行走的抗扰能力。本研究参考了国内外经典的四足机器人设计结构,建立了四足机器人模型。利用D-H参数法对机器人运动学进行分析,得到了足端轨迹与关节角度的对应关系。采用拉格朗日方程法分析机器人单腿动力学,为柔顺控制所需的逆动力学补偿奠定了理论基础。在对足端轨迹规划的研究和仿真中,发现由多项式插值得到的机器人足端轨迹灵活性较差,不能够根据环境变化而自主修改足端轨迹。为此,本文利用非线性振子构成模式发生器网络对机器人足端轨迹进行生成,通过在网络中添加耦合项的方式使足端轨迹产生适应性。对于控制方法的研究,本文首先利用位置控制算法对四足机器人动态行走进行控制。在仿真实验中发现,机器人在平坦路面中可以动态的行走,但在不平路面中行走时其克服外界干扰的能力较弱,容易摔倒。主要原因在于基于单纯位置控制的机器人其足端不具有柔顺性,足端与地面的瞬时接触力对其机体稳定性产生了严重的影响。为增强机器人接触环境的柔顺性,本文采用基于力的阻抗控制实现了机器人足端柔顺性控制,并进行了单腿实验验证。同时,当腿进行摆动时也可以对足端轨迹进行有效跟踪。不过,单纯利用阻抗控制无法对机器人机体姿态进行控制,为此,文中提出利用虚拟模型控制方法对机器人机体姿态进行控制,从而形成了机器人分层控制框架。为了验证本课题所提出分层控制框架的有效性,研究中建立了机器人虚拟样机模型,进行了具有机器人头、尾自身扰动和不平路面外界扰动的动态行走实验。仿真结果表明,基于本文分层控制框架的机器人能够有效克服外界和自身产生扰动,从而实现稳定的动态行走。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TP242

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【参考文献】
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