基于气动弹跳腿的单足机器人垂直跳跃动态特性研究

摘要

单足跳跃机器人涉及气动和液压伺服系统、多体系统动力学、自平衡控制等多学科的基础理论和关键技术,是研究多足行走式机器人的必备基础。本文以单足机器人作为研究对象,研究其连续稳定跳跃的动态特性以及控制算法。
　　根据单足机器人跳跃过程将其划分成缓冲阶段、起跳阶段和腾空阶段,其中起跳阶段又可细分为起跳加压阶段和起跳恢复阶段。通过气缸上下腔封闭或充排气满足缓冲阶段对缓冲距离和缓冲时间的不同要求;针对起跳阶段的复杂性,提出在起跳加压阶段对机器人进行能量补充,在起跳恢复阶段封闭气缸上下腔避免在足部跳离地面时对端盖的撞击,减小了系统振荡;在腾空阶段,提出基于气体内能反馈的气动伺服系统控制算法,实现对气缸活塞位置和上下腔气压的同时调节。建立了上述三个阶段的数学模型,包括各阶段气缸的动力学方程、开口及闭口系统的能量、流量、温度和摩擦力方程以及控制算法方程、伺服比例阀动力学和控制方程等。
　　在MATLAB的SIMULINK模块中分阶段建立了仿真模型,对单足机器人各阶段的动态特性进行了仿真研究。缓冲阶段,通过对比闭口系统和开口系统对缓冲距离和时间影响规律的仿真分析,得到充放气时间影响缓冲阶段运动特性的规律性认识;起跳阶段,通过对加压时间和方式对机器人运动特性影响规律的仿真分析,实现了对机器人跳跃高度的调节;腾空阶段,利用基于内能反馈的PD控制算法实现了对活塞位置和气缸上下腔气压同时调节的控制目标。建立了各阶段联合仿真模型,对单足机器人垂直跳跃的全过程动态特性进行了仿真研究,仿真结果表明,采用上述方法可以实现单足机器人垂直方向的稳定跳跃和可控高度跳跃。
　　搭建了以C8051F120单片机为控制器,由单足机器人、比例流量阀、压力传感器、位移传感器、滤波放大电路等组成的单足机器人垂直跳跃实验台,编写了单足机器人稳定跳跃的控制程序和数据传输程序,进行了单足机器人垂直跳跃实验,实现了单足机器人垂直方向的连续跳跃。

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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. 跳跃机器人及其相关技术的发展概况

1.3. 国内外文献的综述简析

1.4. 本文主要研究内容

第2章 单足机器人垂直跳跃数学模型的建立

2.1. 单足机器人垂直跳跃跳跃过程分析

2.2. 缓冲阶段数学模型的建立

2.3. 起跳阶段数学模型的建立

2.4. 腾空阶段数学模型的建立

2.5. 单足机器人垂直方向连续跳跃模型的建立

2.6. 本章小结

第3章 单足机器人垂直跳跃仿真研究

3.1. 单足机器人分阶段仿真研究

3.2. 单足机器人连续稳定跳跃仿真研究

3.3. 单足机器人可控高度跳跃仿真研究

3.4. 本章小结

第4章 单足机器人垂直跳跃实验研究

4.1. 单足机器人垂直跳跃实验平台搭建

4.2. 单足机器人实验研究

4.3. 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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