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液压驱动型足式机器人腿部模型修正与阻抗新构型研究

马国梁  
【摘要】:液压驱动型足式机器人有着优异的未知非结构环境适应能力和运动性能,现已成为各国的研究热点。机器人实际运动时,足端与环境之间不断的发生接触、碰撞和冲击,为避免所携带的电子设备和机械结构损坏,足式机器人的每条腿应具备一定的柔顺性。基于位置及力的阻抗控制是应用于腿部液压驱动系统的两种常见柔顺控制方法,任何一种方法在腿部液压驱动系统实现时,各关节液压驱动单元选取的阻抗内环控制方式完全相同。同时这两种阻抗控制方法具有不同的动态柔顺性和相反的稳定,腿部液压驱动系统各关节液压驱动单元阻抗内环仅采用一种控制方式时,难以充分发挥各自的优势,因此,有必要在腿部各关节中优选不同阻抗内环控制方式,进一步提升腿部液压驱动系统的柔顺控制性能,从而提高足式机器人整机的运动性能。本文针对足式机器人三自由度腿部液压驱动系统,以提高腿部液压驱动系统柔顺控制性能为目标,主要研究工作如下:(1)三自由度腿部液压驱动系统基于位置及力的阻抗控制实现方法研究。腿部机械结构运动学和静力学模型是腿部液压驱动系统实现阻抗控制的基础,本文首先利用连杆公式和力雅克比,求解腿部机械结构的运动学和静力学模型;然后根据腿部机械结构尺寸,求解各关节液压驱动单元伸出长度与各关节转角之间的映射关系和各关节液压驱动单元受力与各关节转角转矩之间的映射关系;最后基于腿部运动学、静力学、动力学和阻抗控制原理,得到腿部液压驱动系统基于位置及力的阻抗控制的实现方法。(2)三自由度腿部半圆柱形足端运动学修正策略研究。带有半圆柱形足端的足式机器人腿部作为支撑相时,由于半圆柱形足端的存在,足端会发生滚动,使足端期望位置偏离足端实际位置,造成根关节轨迹发生偏移,使机器人产生错误位姿。为避免半圆柱形足端的存在引起根关节轨迹偏移,导致腿部液压驱动系统运动控制精度降低的现象,本文首先分析机器人腿部半圆柱形足端引起根关节轨迹偏移现象产生的原因;然后推导得到机器人机身与接触面成不同角度时,足端运动空间内半圆柱形足端的存在引起根关节轨迹偏移量的大小,并设计一种基于虚拟自由度的腿部半圆柱形足端运动学修正策略;最后利用MATLAB/Simulink和ADAMS搭建的联合仿真模型,在多工况下仿真测试本文所提出的修正策略。(3)基于虚拟模型的足式机器人腿部关节液压驱动单元力传感器补偿方法研究。为实现足式机器人腿部的阻抗控制,需要实时检测足端与地面的接触力,在机器人关节液压驱动单元活塞杆顶端安装一维力传感器相对于在足端安装多维力传感器,具有数据稳定性高、使用寿命长和可靠性高等优点,但由于一维力传感器安装于液压驱动单元活塞杆末端相比于直接安装于足端的多维力传感器易受预紧力、摩擦、动力学、零漂和温漂等诸多因素的影响,会导致一维力传感器结合静力学解算出足端与地面之间的接触力和实际接触力之间出现偏差。首先对这一现象产生的原因进行分析,利用腿部液压驱动系统性能测试实验平台进行实验测试,得到该现象产生的原因;然后基于虚拟模型设计一种应用于足式机器人腿部关节力传感器的补偿策略;最后在多工况下实验测试本文所提出的补偿策略。(4)腿部三自由度阻抗新构型基础原理研究。本章首先在不同关节选择不同的阻抗控制方法,形成多种阻抗构型方案,并研究各阻抗构型的实现原理;然后,对足端运动空间内,腿部液压驱动系统在腾空相和着地相时,各关节液压驱动单元的等效质量分布情况进行分析;最后,通过足端运动空间内,腾空相和着地相各关节液压驱动单元等效质量分布情况、外干扰特性的差异和等效质量分布对关节液压驱动单元阻抗控制性能的影响,为腿部不同关节选择最优的阻抗内环控制方式,使其具有最佳的柔顺控制性能。


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