面向高速奔跑足式机器人关节腿结构与变阻抗控制研究

摘要

随着足式机器人相关技术的深入研究，能够高速灵活运动的足式机器人逐渐成为研究热点。自Boston Dynamics公司和MIT分别研制的Cheetah机器人问世以来，足式机器人的快速性研究更是成为足式机器人领域最具挑战性的问题。研究表明，足式机器人的快速性主要取决于机器人腿部的固有频率，通过改变机器人腿部的阻抗参数可以改变机器人腿部的固有频率，进而提升机器人的运动速度。
　　本文以猎豹为仿生对象，针对现阶段足式机器人结构上存在的跨步距离短，腿部质量大等问题，提出了运动解耦和仿形映射的结构设计思想，设计了兼具较大跨步距离和较小的腿部质量的机器人腿部结构。通过对机器人的运动关系和力学分析，得出了液压缸驱动点到机器人足端的位置仿形和力的映射关系。仿形和解耦的结构设计又克服了机器人主动柔顺控制上多驱动器耦合的问题，简化了机器人的控制方法。
　　为实现机器人的高速运动，本文在弹簧负载倒立摆模型（Spring-Loaded Inverted Pendulum, SLIP）的基础上，分析得出了机器人腿部阻抗是影响足式机器人运动速度的关键因素，并推导得出机器人阻抗参数和运动速度之间的作用规律。利用基于力的阻抗控制方法将关节腿机器人等效成一个竖直方向具有“主动刚度”虚拟的弹簧，又结合基于速度的“虚拟阻尼”控制策略实现机器人的高速运动，提高机器人峰值速度，进而为多关节足式机器人高速运动提供了一种有效地解决方案。
　　本文通过基于虚拟样机的仿真实验研究，完成关节驱动器的选型和机器人结构尺寸的优化工作，验证了变阻抗主动柔顺控制对于提高机器人运动速度的正确性。在此基础上，搭建了变阻抗机器人高速运动实验平台（变阻抗关节腿样机，控制传感系统）。通过机器人原地弹跳实验，机器人恒速奔跑实验，机器人变速奔跑实验，以及机器人高速变阻抗奔跑实验进一步验证了基于阻抗控制的机器人主动柔顺控制算法的可行性和优越性。

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第1章 绪论

1.1课题来源及背景

1.2足式机器人运动控制方法与主动阻抗研究现状

1.3研究现状总结分析

1.4主要研究内容

第2章 可变阻抗关节腿结构设计与动力学特性分析

2.1引言

2.2高速四足哺乳动物猎豹的骨骼结构分析

2.3可变阻抗关节腿结构设计

2.4可变阻抗关节腿运动学模型建立

2.5可变阻抗关节腿动力学模型简化

2.6本章小结

第3章 可变阻抗关节腿控制方法研究

3.1引言

3.2可变阻抗关节腿运动速度与阻抗参数关系研究

3.3基于虚拟模型的机器人阻抗参数等效研究

3.4基于变阻抗控制的机器人运动控制策略

3.5综合控制策略

3.6本章小结

第4章 关节腿机器人变阻抗运动特性实验研究

4.1引言

4.2基于虚拟样机的仿真实验

4.3可变阻抗关节腿机器人试验样机建立

4.4本章小结

结论

参考文献

声明

致谢