具柔性脊柱的四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化與控制.pdf

1、四足機(jī)器人具有良好的環(huán)境適應(yīng)性和運(yùn)動(dòng)靈活性，可以廣泛運(yùn)用于軍事、工業(yè)、生活等各個(gè)方面，成為機(jī)器人研究領(lǐng)域中的熱點(diǎn)問(wèn)題。論文在前人研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了具有柔性脊柱的四足機(jī)器人，建立了其動(dòng)力學(xué)模型，分析了bound步態(tài)下模型的被動(dòng)運(yùn)動(dòng)特性，研究了機(jī)身長(zhǎng)度、慣量和剛度參數(shù)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能和穩(wěn)定性的影響，完成了結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，提出了機(jī)器人常用步態(tài)的控制方法。
　　獵豹被認(rèn)為是速度最快的四足哺乳動(dòng)物，本文從仿生學(xué)角度出發(fā)，參考獵豹的骨骼構(gòu)型和

2、運(yùn)動(dòng)方式，開(kāi)發(fā)HUST cheetah四足機(jī)器人。依照獵豹的骨骼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，構(gòu)建四足機(jī)器人的基本構(gòu)型框架。分析在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下獵豹的受力特性，提出四足機(jī)器人基本設(shè)計(jì)原則。仿生學(xué)研究發(fā)現(xiàn)動(dòng)物在運(yùn)功過(guò)程中，關(guān)節(jié)之間存在很大的相關(guān)性，利用主成份分析法(Principal Component Analysis)探究獵豹運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各個(gè)關(guān)節(jié)間的相關(guān)性，耦合具有相關(guān)性的關(guān)節(jié)，減少了機(jī)器人主動(dòng)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)數(shù)量，優(yōu)化機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，提出了HUST

3、 cheetah四足機(jī)器人的設(shè)計(jì)原理和整體設(shè)計(jì)方案。
　　觀察獵豹bound步態(tài)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，通過(guò)合理假設(shè)與簡(jiǎn)化，建立具柔性脊柱的四足機(jī)器人在bound步態(tài)下的動(dòng)力學(xué)模型。為了減少該模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)變量、使模型更具有一般性，對(duì)模型進(jìn)行了無(wú)量綱化處理。采用龐加萊映射方法研究此模型的被動(dòng)動(dòng)力學(xué)，利用牛頓-拉弗遜方法提出了模型不動(dòng)點(diǎn)求解方法。分析了在不動(dòng)點(diǎn)下模型的被動(dòng)運(yùn)動(dòng)特性，提出了不動(dòng)點(diǎn)穩(wěn)定性的判定方法，為結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和控制研究提供理論基

4、礎(chǔ)。
　　穩(wěn)定性研究發(fā)現(xiàn)合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)是決定機(jī)器人穩(wěn)定性的關(guān)鍵。以提高具柔性脊柱的四足機(jī)器人在不動(dòng)點(diǎn)處的運(yùn)動(dòng)性能和穩(wěn)定性為優(yōu)化目標(biāo)，提出了同一系統(tǒng)能量狀態(tài)下不動(dòng)點(diǎn)的搜索方法，分析在同一能量狀態(tài)下機(jī)器人脊柱長(zhǎng)度、慣量和剛度對(duì)不動(dòng)點(diǎn)穩(wěn)定性的影響，得出了腿部剛度和脊柱剛度是決定具柔性脊柱的四足機(jī)器人穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，進(jìn)而完成了四足機(jī)器人長(zhǎng)度、慣量和剛度優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析了非對(duì)稱前后脊柱參數(shù)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能和穩(wěn)定性的影響，研究發(fā)現(xiàn)

5、合理降低前后脊柱質(zhì)量比既保證了穩(wěn)定性又提升了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能，據(jù)此完成了非對(duì)稱前后脊柱參數(shù)的優(yōu)化。此外剛性脊柱模型和柔性脊柱模型的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，柔性脊柱能夠提高四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能。
　　基于被動(dòng)動(dòng)力學(xué)研究結(jié)論可知，在理想情況下機(jī)器人能夠在無(wú)需借助外界驅(qū)動(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)定的周期運(yùn)動(dòng)。然而由于摩擦、外界干擾等因素的影響，機(jī)器人很難持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。為使HUST cheetah機(jī)器人能夠按照被動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，本文構(gòu)建了基于機(jī)

6、器人被動(dòng)動(dòng)力學(xué)的分層控制器。在高層控制器中，利用被動(dòng)動(dòng)力學(xué)，提出了基于目標(biāo)狀態(tài)的關(guān)節(jié)控制方法。在底層控制器中，提出了基于位置和速度閉環(huán)的PD力矩控制，并通過(guò)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了控制算法的有效性。此外，獵豹常用步態(tài)除了適合高速運(yùn)動(dòng)的bound步態(tài)外，還有適合低速運(yùn)動(dòng)的tort步態(tài)，本文還提出了基于彈簧倒立擺模型(SLIP)的HUST cheetah機(jī)器人tort步態(tài)控制方法。在上述理論分析與研究基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了具有柔性脊柱的四足機(jī)器人HUST c