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液压驱动双足机器人运动系统设计与控制

王海燕  
【摘要】:随着Bigdog、LS3、Petman及Altas的出现,美国波士顿动力公司在世界范围内掀起了液压驱动腿足式机器人的研究热潮。鉴于液压伺服驱动腿足式机器人具有动态性好、功率/质量比大、结构紧凑等优点和强大的野外自然地形运动能力,以及良好的军事应用背景,国内外多家研究机构先后推出了液压驱动四足仿生机器人,并获得了较好的野外运动效果。本论文针对国内仍处于空白阶段的具有负重能力的液压驱动双足机器人运动系统的机构设计、运动学分析、步态生成方法及稳定性控制等方面开展了深入的研究,主要内容如下: 1.分析了传统仿人构型的双足机器人下肢机构,结合液压伺服驱动器的特点,进一步分析了液压驱动双足机器人髋关节旋转自由度和踝关节横滚自由度缺省的可行性,设计了一款具有负重能力的8-DOF经济实用型线性液压伺服油缸驱动的双足机器人运动系统,并通过ADAMS运动仿真实验分析确定了其最大允许负重量。 2.基于D-H方法建立了基于躯干固定坐标系的机器人正向运动学方程,获得了各关节旋转中心的相对位置参数。在此基础上,以机器人落足时脚掌尽量贴合地面为前提条件求解机器人前向平面逆运动学方程,获得了足端运动轨迹与各关节转角的对应关系,并建立了机器人下蹲高度与最大步长之间的关系。 3.采用三次多项式插值的方法生成了静步态行走时机器人足端相对于躯干固定坐标系的复合步态,实现了8-DOF经济实用型液压驱动双足机器人运动系统的静态稳定行走。 4.提出了基于"LPDB"的步态生成方法,实现了机器人的侧向动态平衡;提出了基于"FDCV"的步态生成方法,实现了机器人前进方向上的匀速运动。 5.基于三次多项式插值方法提出了上/下楼梯时机器人足端轨迹规划方法,指出了机器人连续上/下楼梯时足端运动轨迹所需满足的约束条件,实现了机器人连续上/下楼梯的动步态行走。 6.针对具有负重能力的液压驱动腿足式机器人动态运动过程中受到的冲击力变化范围大、规律性较差等问题,提出了基于机器人躯干姿态信息的位置伺服控制方法,实现了8-DOF液压驱动双足机器人的动态稳定行走。 7.通过8-DOF线性伺服液压缸驱动的双足机器人大负载条件下的ADAMS仿真实验和物理样机空载实验,验证了本文提出的步态生成方法和控制方法的正确性和有效性。 本论文的创新点主要有: 1.在对传统12-DOF仿人构型的双足机器人下肢机构运动分析的基础上,设计了国内第一台具有高负重能力的8-DOF经济实用型液压驱动双足机器人运动系统,其最大负重/自重比可达2.5:1,具有结构简洁、体积小、经济实用等优点。 2.提出了基于"LPDB-FDCV"的双足机器人动步态生成方法,避免了基于倒立摆模型的机器人动步态运动过程中质心加速度变化不连续、地面冲击较大等问题,实现了机器人快速稳定的前进、后退、侧行、转向、上/下坡以及连续上/下楼梯等动步态运动。 3.针对具有负重能力的液压驱动腿足式机器人动态运动过程中受到的冲击力变化范围大、规律性较差等问题,提出了基于机器人躯干姿态信息的位置伺服控制方法,实现了机器人的动态稳定行走。


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