液压驱动型轮足式机器人运动控制研究

论文摘要

目前,国内外对足式机器人的研究十分活跃,取得了较多理论研究和实验成果,但是足式机器人系统复杂,控制难度较大,与之相比,轮式机器人具有稳定性好、易控制等优点。整合足式机器人和轮式机器人的优点,国内外很多研究机构对轮足式机器人开展研究,设计的轮足式机器人对非结构化地形有很强的适应能力,同时又避免了足式机器人控制难度大的缺点,因此轮足式机器人的研究,具有很大的理论价值和工程意义。本文针对一种特殊结构的轮足式机器人的运动控制进行了深入研究,该机器人由两条前腿和两个后轮组成,前腿各关节采用液压作动器驱动,后轮为无动力轮,主要取得了以下几方面成果:1、基于轮足式机器人运动特点,将轮足式机器人腿部运动分解为支撑期与摆动期,并在适当简化的机器人物理模型基础上,引入几何约束,分别建立了轮足式机器人腿部在支撑期和摆动期的运动学模型,同时基于拉格朗日方程推导了腿部在支撑期和摆动期的动力学模型。2、采用操作空间控制方法,提出了一种支撑腿与摆动腿协调控制的控制策略。单腿支撑时,完成上体躯干的位姿控制,摆动腿完成机器人落脚点的轨迹控制以及与地面接触时的柔顺控制,并以接触力为触发信号,完成摆动腿与支撑腿的切换运动。依据上述控制策略,进行了轮足式机器人行走仿真实验。3、轮足式机器人关节力矩控制是实现机器人操作空间控制的基础,重点研究了关节液压作动器的模型辨识与力控制,以辨识出的液压作动器模型为基础,设计了双PI力控制算法,进行液压作动器力伺服控制实验,实验结果验证了模型辨识和控制算法的有效性。4、搭建了轮足式机器人实验平台,并在实验平台上进行了躯干俯仰角控制和足端接触力控制实验,验证了操作空间算法的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文的研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 四足机器人的发展概况
• 1.2.2 轮足式机器人的发展概况
• 1.2.3 足式机器人运动规划与控制研究概况
• 1.3 论文的研究内容及章节安排
• 1.3.1 论文的研究内容
• 1.3.2 论文的章节安排
• 第二章 轮足式机器人运动学与动力学建模研究
• 2.1 轮足式机器人模型分析与简化
• 2.2 轮足式机器人单腿支撑期的运动学与动力学模型
• 2.2.1 单腿支撑期的运动学模型
• 2.2.2 单腿支撑期的动力学模型
• 2.3 轮足式机器人单腿摆动期的运动学与动力学模型
• 2.3.1 单腿摆动期的运动学模型
• 2.3.2 单腿摆动期的动力学模型
• 2.4 基于Sim Mechanics仿真平台的模型构建
• 2.5 本章小结
• 第三章 轮足式机器人操作空间运动控制研究
• 3.1 轮足式机器人的运动控制策略
• 3.1.1 步态与稳定性分析
• 3.1.2 运动控制策略分析
• 3.2 轮足式机器人运动控制算法
• 3.2.1 单腿支撑期运动控制算法
• 3.2.2 摆动腿操作空间位置控制算法
• 3.2.3 摆动腿操作空间力位混合控制
• 3.3 轮足式机器人行走仿真分析
• 3.3.1 单腿支撑期运动仿真分析
• 3.3.2 摆动腿运动仿真分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 关节液压作动器模型辨识与控制
• 4.1 关节液压作动器机理模型
• 4.2 关节液压作动器的系统辨识
• 4.2.1 系统辨识基本原理
• 4.2.2 参数辨识实验系统设计
• 4.2.3 参数辨识实验结果及结论
• 4.3 关节液压作动器的力控制研究
• 4.4 本章小结
• 第五章 轮足式机器人的控制系统与实验分析
• 5.1 轮足式机器人控制系统的总体设计
• 5.2 轮足式机器人系统的实验分析
• 5.2.1 躯干姿态角控制
• 5.2.2 足端接触力控制
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果