基于SLIP模型的四足机器人对角小跑步态控制研究-机械电子工程专业论文.docxVIP

Classified Index: TP242.6 U.D.C: 621 Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering CONTROL OF QUADRUPED ROBOT IN TROTTING GAIT BASED ON SLIP MODEL Candidate： Jiang Zhenyu Supervisor： Prof. Sun Lining Associate Supervisor： Associate Prof. Li Mantian Academic Degree Applied for： Doctor of Engineering Speciality： Machatronics Engineering Affiliation： School of Mechatronics Engineering Date of Defence： July , 2014 Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology 摘 要 摘 要 经过千万年的自然选择，四足哺乳动物具有了运动灵活、环境适应能力强 等特点。以其为模板的四足仿生机器人因具有在野外复杂环境下的巨大应用潜 力而成为机器人研究的一大热点。山地运输等应用场合更对四足仿生机器人的 载重能力和复杂地形下的快速通过能力提出了现实需求，而对角小跑步态是不 同体型的四足哺乳动物在不同地形条件下广泛应用的中速步态。???是从机构拓 扑学角度分析，四足机器人属于多支链运动机构，具有时变的拓扑几何结构。 在机器人行进时伴随着落足时刻的地面冲击，给机器人机构以及驱动单元的设 计增大了难度。作为冗余传动的代表，运动支链间的多自由度运动耦合给机器 人多关节协调运动和实时动态平衡控制带来极大挑战。 本文以四足哺乳动物为模板，在形态学和生物动力学分析与总结的基础上， 提出了四足仿生机器人对角小跑步态控制方法，搭建了基于液压驱动的四足仿 生机器人系统。本文首先在弹簧负载倒立摆被动动力学特性研究的基础上，解 决了三维直腿四足机器人模型在对角小跑步态下的机身速度和姿态控制问题； 随后，基于关节功能分解思想，并通过在腿部关节运动中引入生物特性，实现 了机器人仿生腿部多关节的协同运动；最后，通过大量的仿真与样机实验研究， 验证了控制方法的有效性和机器人系统设计的正确性。 本文通过对生物形态学的分析总结，建立了四足仿生机器人的运动模型， 并通过四足哺乳动物的运动动力学特性分析，在完整模型的基础上进一步建立 出一系列简化模型。在弹簧负载倒立摆被动动力学特性研究的基础上，通过引 入多自由度分解控制思想，提出了四足机器人在矢状面内的平面三杆简化模型 的前进、跳跃和俯仰三个运动自由度的控制策略。在此基础上，进一步扩展获 得四足机器人的横移、横滚与偏航自由度控制策略。通过总结各个自由度的控 制方法，解决了四足机器人多自由度协同控制问题，并通过仿真和原理样机实 验加以验证。 针对仿生腿部机构冗余驱动问题，在生物运动特性和直腿模型控制方法分 析与总结的基础上，提出了基于多关节功能分解思想的仿生腿部多关节控制方 法。该方法通过为仿生腿部各个关节分配不同功能，使各关节在机器人运动中 分别控制各个机身自由度。在此基础上，进一步引入生物特性，提高四足机器 人的前进速度和地面适应性等性能。 为了减小重负载情况下四足机器人在快速运动过程中过大的足-地作用给 机器人本体带来的不利影响，本文提出了基于关节/足端轨迹方法的无腾空相对 - I - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 角小跑步态行走控制策略。针对传统轨迹规划方法缺乏机体控制，忽视足地交 互作用等缺陷，本文在柔性关节分析的基础上，综合直腿模型的机体控制方法 和关节功能分解方法，提出了由横摆关节调节的机身横滚、横移和偏航自由度 协同控制策略，基于足底力信息反馈的着地相膝关节轨迹调节方法以及腾空相 足端轨迹规划方法。在仿真研究中，应用该方法的四足机器人虚拟样机实现了 侧向扰动下的平衡自恢复和崎岖地形上的快速通过。 最后，通过采用基于曲柄摇块机构和伺服液压缸的关节驱动机构，在虚拟 样机仿真结果分析和总结的基础上，完成了关节驱动器的选型，驱动机构的尺 寸设计及四足仿生机器人的单腿结构设计，并通过单腿 1D 弹跳实验验证了腿部 结构设计的正确性。随后，通过机体结构设计、控制-传感系统构建和动力单元 设计等工作最终搭建了无缆化四足仿生机器人样机实验平台。通过侧向扰动、 平坦路面行走和跑步机行走等样机实验验证了控制算法的有效性和可行性。 关键词：SLIP，四足机器人，仿生学，对角小跑步态，运动控制 II -  Abstract Abstract Afte