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六足仿生机器人单腿结构设计及其柔顺控制研究

作　者: 朱晓峰
导　师: 赵杰
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 六足机器人 模块化关节 力传感器 轨迹规划 阻抗控制
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


随着人类对自然界探索的不断发展,各领域对能够在复杂环境中自由移动机器人的需求日趋广泛。六足仿生机器人对地形的适应能力比较强,能够在复杂的地表高效行走,具有冗余的肢体结构,可以在失去若干肢体的情况下,继续执行一定的任务。因此,六足仿生机器人比较适合进行野外侦查、水下搜索以及太空探测等对机器人的可靠性、自主性要求较高的工作。本课题的目的是设计一种模块化的、具有力感知功能的六足仿生机器人的单腿结构,并对设计的单腿进行运动学分析和足端轨迹规划,研究足端与地面接触过程足端力的柔顺控制策略,实现腿部的柔顺控制。本文从仿生学的角度出发,对六足昆虫的腿部进行研究。分析了腿部结构和功能特点,以此为基础设计完成了六足仿生机器人的单腿结构:完成了模块化关节的设计,在高集成度的要求下有效地减小了关节尺寸;实现了集成于腿部结构的力和力矩传感器,包括足端三维力传感器和关节力矩传感器的设计;设计了集成于单腿胫节的被动柔顺机构,结合力感知功能为后文单腿的力柔顺控制奠定基础。对设计的单腿进行了运动学分析,建立了单腿的D-H坐标系,求出了机器人单腿的运动学正解、逆解和雅可比矩阵,为下文机器人整体运动和控制提供条件。根据六足机器人的步态特点和控制需要,进行了足端轨迹规划,并对生成的足端轨迹进行了运动学仿真。针对六足仿生机器人足端力的柔顺控制问题,分析了两种足端力的阻抗控制策略。针对本课题设计的机器人单腿,采用了基于足端位置的阻抗控制策略,并通过公式推导和控制系统仿真,分析了阻抗参数对力跟踪的影响。针对复杂环境中环境参数的不能精确得到,提出了对环境参数在线估计的阻抗控制策略,通过仿真验证了该方法可以有效的实现单腿的力柔顺。最后,通过Adams和Matlab的联合仿真,验证了阻抗控制算法的有效性。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-9
第1章 绪论  9-17
  1.1 课题的背景和意义  9-10
  1.2 研究现状  10-16
    1.2.1 六足仿生机器人的研究现状  10-13
    1.2.2 六足机器人腿部结构的研究现状  13-14
    1.2.3 力柔顺控制的研究现状  14-16
  1.3 课题的主要研究内容  16-17
第2章 六足仿生机器人单腿机械结构的设计  17-27
  2.1 引言  17
  2.2 腿部结构的仿生学原理  17-18
    2.2.1 多足昆虫腿部结构  17-18
    2.2.2 腿部自由度的选择  18
  2.3 六足仿生机器人单腿结构设计  18-22
    2.3.1 腿部结构设计准则  19-20
    2.3.2 模块化关节单元  20-22
    2.3.3 胫节  22
  2.4 传感器的设计  22-26
    2.4.1 惠斯通电桥测量原理  23-24
    2.4.2 足端三维力传感器的设计  24-25
    2.4.3 关节一维力矩传感器的设计  25-26
  2.5 本章小结  26-27
第3章 单腿运动学分析与足端轨迹规划  27-37
  3.1 引言  27
  3.2 单腿运动学分析  27-31
    3.2.1 单腿运动学正解  27-29
    3.2.2 单腿运动学逆解  29
    3.2.3 雅可比矩阵求解  29-30
    3.2.4 摆动腿工作空间仿真  30-31
  3.3 单腿足端轨迹规划  31-36
    3.3.1 轨迹规划概述  31-32
    3.3.2 足端轨迹曲线的生成  32-33
    3.3.3 足端轨迹运动学仿真  33-36
  3.4 本章小结  36-37
第4章 足端力柔顺控制策略研究  37-52
  4.1 引言  37
  4.2 足端力阻抗控制  37-46
    4.2.1 阻抗控制原理  37-39
    4.2.2 足与地面接触等效模型  39-40
    4.2.3 基于位置的阻抗控制  40-42
    4.2.4 基于阻抗控制的力跟踪  42-43
    4.2.5 阻抗控制仿真研究  43-46
  4.3 阻抗控制稳态力误差分析  46-47
  4.4 环境参数在线估计  47-51
    4.4.1 环境参数在线估计算法原理  47-50
    4.4.2 在线环境参数估计算法仿真  50-51
  4.5 本章小结  51-52
第5章 足端力控制仿真实验及结果分析  52-60
  5.1 引言  52
  5.2 足端力跟踪仿真实验及分析  52-55
    5.2.1 仿真实验系统的搭建  52-53
    5.2.2 仿真结果及分析  53-55
  5.3 结构化环境下的单足力跟踪仿真实验  55-57
    5.3.1 仿真过程  55
    5.3.2 恒力跟踪仿真  55-56
    5.3.3 变力跟踪仿真  56-57
  5.4 非结构化环境下的单足力跟踪仿真实验  57-59
    5.4.1 未知环境参数估计的控制系统平台  57
    5.4.2 仿真过程  57-58
    5.4.3 仿真结果分析  58-59
  5.5 本章小结  59-60
结论  60-61
参考文献  61-66
致谢  66

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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