高速跳跃四足机器人变刚度阻抗控制方法研究

摘要

随着足式机器人领域研究的不断深入，逐渐形成重载型和高速型两个研究分支，然而像自然界猎豹一样具有高速高加速度运动能力的四足机器人屈指可数，传统通过物理阻抗元件调节腿部阻抗来实现机器人中低速运动的研究大大滞后目前机器人领域对高速足式机器人的需求，因此以高速为研究目标的四足仿生机器人越来越受到国内外学者的高度重视。研究表明，变刚度主动阻抗控制可以替代传统被动阻抗控制，对于提升机器人运动速度具有重要意义。
　　针对被动阻抗控制不仅刚度调节范围小，而且容易造成结构笨重复杂，以及机器人腿部阻抗计算需要对足底力做正弦力理想化近似，同时着地时间的计算又无法实时检测，存在一定滞后性等问题，本文重点开展了高速跳跃四足机器人变刚度阻抗控制方法研究，通过联合仿真对比实验验证了控制方法的正确性与有效性。具体开展如下研究：
　　首先，针对上述被动阻抗控制方法所存在的问题，本文基于主动阻抗控制方法，结合具有虚拟阻抗参数的SLIP模型，通过建立着地相模型竖直方向受力平衡方程获得腿部刚度的解析解，以及腿部刚度与运动速度的关系，在此基础上，研究了变刚度阻抗控制策略。
　　其次，为验证变刚度阻抗控制方法的正确性与有效性，以单腿子系统为实验平台，将单腿子系统等效成一条具有虚拟阻抗参数的弹簧腿，利用上述变刚度阻抗控制方法，并研究机器人高度控制、速度控制以及贝塞尔曲线足端轨迹规划方法。在上述控制方法的基础上，进行单腿子系统联合仿真对比实验，实验结果验证了利用刚度计算方法与变刚度阻抗控制策略对于提升机器人速度的正确性与有效性。该腿部刚度计算方法不仅计算精度较高，而且可以满足高速跳跃对于控制系统实时性高的要求。
　　然后，在上述基础上，建立了四足机器人平面模型，分析了双飞行相跳跃步态，研究了机器人高度控制、速度控制、俯仰角控制以及镜像腿控制等控制方法，并对四足机器人平面模型进行受力分析，将控制力转化为驱动力，为验证变刚度阻抗控制方法在跳跃步态下提升足式机器人速度的正确性与有效性提供理论基础。
　　最后，进行了四足机器人跳跃步态变刚度阻抗控制实验，通过虚拟样机联合仿真对比实验，验证了变刚度阻抗控制方法在高速高加速度跳跃步态下对于提升足式机器人运动速度的正确性与有效性。最终实现跳跃步态下四足机器人每秒十倍身长高速高加速度稳定跳跃运动。

目录

第1章 绪论

1.1 课题来源及背景

1.2 高速跳跃四足机器人研究现状

1.3 主被动阻抗控制方法研究现状

1.4 基于SLIP模型机器人腿部刚度计算方法研究现状

1.5 研究现状总结分析

1.6 主要研究内容

第2章 腿部刚度计算方法与变刚度阻抗控制方法研究

2.1 引言

2.2 SLIP模型简介

2.3 基于SLIP模型腿部刚度解析解计算方法研究

2.4 变刚度阻抗控制方法研究

2.5 本章小结

第3章 单腿子系统变刚度阻抗控制方法研究

3.1 引言

3.2 单腿子系统模型的建立

3.3 控制方法研究

3.4 虚拟样机联合仿真实验

3.5 本章小结

第4章 四足机器人跳跃步态控制方法研究

4.1 引言

4.2 跳跃步态分析

4.3 平面模型的建立

4.4 控制方法研究

4.5 本章小结

第5章 四足机器人跳跃步态变刚度阻抗控制实验研究

5.1 引言

5.2 联合仿真平台的搭建

5.3 虚拟样机联合仿真实验

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

声明

附录

致谢