自平衡跳跃单足机器人空中姿态检测与自动调节系统研究

摘要

自平衡跳跃单足机器人的研究包括机身姿态检测系统、气动弹跳腿垂直跳跃系统、机身自平衡液压伺服调节系统和多体动力学仿真及分析，自平衡控制算法等基础理论的研究。本文针对自平衡跳跃单足机器人机身姿态检测系统、机身自平衡液压伺服调节系统以及整机控制系统进行了理论分析、动态建模、仿真和模拟实验等方面的工作。
　　采用四个等距安装在机身四周的超声波传感器检测圆形机身四个点到地面的距离，建立了超声波传感器测量距离与机身姿态关系以及机身偏转角和方位角与液压缸的伸长长度关系的数学模型，通过MATLAB仿真，得到了机身姿态变化情况下液压缸特征点空间变化曲面以及在限定条件下特征点在三维空间的运动轨迹，为根据机身姿态检测值调整弹跳腿与机身夹角提供了理论依据。
　　针对弹跳腿相对机身夹角调整过程对运动轨迹和速度的严格要求，设计并搭建了变负载液压伺服模拟实验台。综合应用动力学、流体力学和自动控制的基本理论和方法，建立了包括实验台运动方程和液压缸动力学方程、节流口流量方程和流量连续方程以及伺服阀与伺服放大器控制等方程数学模型，通过对实验系统动态特性的分析和大量仿真数据的分析处理，得到液压伺服系统输入信号与液压缸活塞杆运动的动态特性关系。采用基于给定运动轨迹与活塞位移差值的PID算法进行位移的闭环控制，实现了方波、正弦波、三角波等曲线的跟踪。并根据机器人跳跃过程中在弹跳腿轴线与铅垂线所在平面内运动的要求，对双缸联合驱动时弹跳腿运动轨迹进行了路径规划，采用速度插补算法实现了弹跳腿在给定平面内的运动。
　　综合姿态检测系统和机身自平衡的液压伺服调节系统搭建了机身姿态检测与调整综合实验台，设计并制作了以工控机为上位机、采用并行通讯方式与姿态检测和调整系统控制器进行数据交换的综合实验控制系统。通过标定超声波传感器提高其在指定区间内的测量精度，根据机身姿态的人工设定的二十组实时检测值，采用上述算法控制液压缸活塞杆的运动，双液压活塞杆的位移和速度与理论计算值吻合良好，可以满足单足机器人自平衡跳跃的要求。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 单足跳跃机器人及相关技术的发展概况

1.3 国内外研究现状分析

1.4 本文主要研究内容

第2章 机身姿态检测方法与弹跳腿运动学分析

2.1 单足机器人结构及运动特性分析

2.2 单足跳跃机器人运动姿态分析

2.3 机身姿态测量方法建模

2.4 弹跳腿特征点运动学建模

2.5 弹跳腿运动仿真研究

2.6 本章小结

第3章 双伺服缸位姿调整系统建模与仿真

3.1 机器人液压伺服机构分析

3.2 实验台结构设计及运动特性分析

3.3 变负载液压伺服系统建模

3.4 变负载液压伺服系统仿真

3.5 活塞位移的PID控制及仿真分析

3.6 液压缸双缸联动路径规划

3.7 本章小结

第4章 姿态检测与调节实验及控制系统设计

4.1 姿态检测系统数据采集与标定实验

4.2 姿态调节系统实验

4.3 综合模拟实验

4.4 本章小结

结论

参考文献

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致谢