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单足弹跳机器人运动控制研究与系统设计

何笑隆  
【摘要】:机器人技术在近二三十年里得到了迅速的发展,其应用范围也从工业制造领域扩展到了航空航天、军事侦察、医疗服务等领域。随着机器人工作环境的日益复杂,对于机器人运动灵活性的要求也越来越高。目前机器人运动主要分为轮式、步行以及弹跳等方式,其中弹跳式运动所特有的突然性与爆发性可以使机器人在面对突发状况时迅速地做出反应、躲避风险,正被越来越多的研究人员所关注。本文以单足弹跳机器人作为研究对象,进行了以下方面的研究:首先,对袋鼠运动时各肢体的功能与质量分布进行了分析,从袋鼠运动模型中抽象出了由身体、大腿、小腿三部分组成的单足机器人模型;针对机器人运动分段连续的特点,采用拉格朗日方程法分别针对机器人的着地相和腾空相建立了动力学模型。接着,对单足机器人机械结构与系统平台进行了介绍,搭建了以主控制器模块、传感器模块以及电机与驱动模块为主的控制系统平台;对EPOS2电机驱动器的工作原理以及μC/OS-II实时内核机理进行了研究,完成了系统平台底层代码的编写,实现了机器人大小腿屈膝伸展的动作。然后,对自抗扰控制方法进行了研究,在MATLAB下搭建了由跟踪微分器、扩张状态观测器和非线性反馈控制律组成的二阶自抗扰控制器;分析了自抗扰控制器对于多输入多输出非线性系统的解耦控制方法,并对双关节机器人动力学模型进行了改进,搭建了自抗扰控制器,实现了各关节腿的解耦控制。最后,针对袋鼠在弹跳运动中腿部肌肉、腱及韧带等组织储存与释放能量的过程与弹簧压缩伸长的过程类似的特点,采用弹簧负载倒立摆模型对弹跳周期运动进行研究。阐述了在周期弹跳运动时中性点的概念,分析了该模型落地点相对于中性点不同时对于速度与高度的影响,并细分了弹跳过程的运动状态。在ADAMS中建立了实验模型并与MATLAB进行了联合仿真,验证了着地角度与前向速度的关系,并对弹跳过程的能量补偿方案进行了设计与实验。


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