液压驱动四足机器人柔顺及力控制方法的研究与实现

摘要

制造出人工的、拥有腿足结构的、类似于动物的智慧代步机械，比肩造物主，一直是人类从古至今从未间断过的梦想，这一梦想持续的时间恐怕比人类翱翔于蓝天的梦想还要长。BigDog的出现犹如一针兴奋剂，在全世界范围内掀起了一股四足机器人研究的热潮。然而，在现今的科技水平下，人类能够制造出怎样的腿足移动机械，这些腿足机械又能够帮助人类发现什么或者完成什么工作呢？这些腿足式的移动机械与我们现有的车辆等运输工具相比，又有哪些优势呢？
　　面对这一课题的挑战，我们设计并研制成功了SCalf液压驱动四足机器人。本文针对SCalf研制过程中的系统结构设计、柔顺控制方法设计与实现以及基于平面模型的跳跃控制三个方面展开论述，主要内容如下:
　　1、针对SCalf机器人本体各个子系统的分布特点，设计了具有双CAN总线的集中式控制系统，并进行了工程实现工作;随后以提高伺服带宽、实现关节力矩控制为目标，在原有集中控制的基础上，对伺服系统进行了分布式、数字化改造，同时设计了基于该系统的分布式控制方法;基于上述分布式系统中的单腿伺服控制器，设计并实现了面向力控制的单腿测试平台。
　　2、基于牛顿-欧拉方法建立单腿系统的动基座动力学模型;设计开发了基于足底力检测与关节位置控制的足端阻抗柔顺控制方法、基于足底力推算与关节位置控制的足端阻抗柔顺控制方法、基于虚拟模型及关节力控制的足端柔顺控制方法，完成仿真分析及实验验证，并应用于SCalf-Ⅱ平台上崎岖地形行走控制中。
　　3、基于虚拟模型控制与能量规划的方法，对以trot步态运动的机器人奔跑及跳跃控制进行了研究，并在虚拟物理环境中进行了仿真实验;通过对机器人躯干姿态的检测，增强了该方法对崎岖地形的适应能力;在文中所提方法的假设条件不满足的情况下，对该方法的鲁棒性进行了实验与分析。
　　通过以上的研究，本文的研究成果如下:
　　1、设计并实现了基于双CAN总线的液压四足机器人集中式控制系统，并在其基础上首次在液压驱动大型四足机器人上实现了基于现场总线与单腿伺服控制器的分布式控制系统，并提出了适合四足机器人的分布式控制构架。
　　2、搭建了室内液压驱动的平面单腿测试平台，开展了面向全力矩控制的单腿运动实验以及足地交互效果实验。
　　3、基于牛顿-欧拉方法建立了单腿动基座动力学模型，以此为基础进行了基于足底力检测、足底力推算以及虚拟模型的腿足柔顺控制实验，提出了适合SCalf-Ⅱ型四足机器人的柔顺控制方法，并应用于SCalf-Ⅱ平台上崎岖地形行走控制中，效果良好。
　　4、提出了基于虚拟模型及能量规划的四足机器人平面跳跃控制方法，该方法适应于崎岖地形，具有很好的鲁棒性和工程可实现性。
　　本文在针对学术问题进行研究的同时，将实现成本与制造、维护难度等因素考虑进来，并通过虚拟物理仿真环境实验和物理样机实验，证明了结论具有很强的可实现性。

目录

声明

摘要

缩略词注释表

第一章 绪论

1．1 论文选题背景及研究意义

1．1．1 选题背景

1．1．2 研究意义

1．2 四足机器人柔顺及安全交互技术发展现状

1．2．1 面向力控制的驱动系统

1．2．2 四足机器人柔顺控制

1．2．3 带有躯干柔顺的四足机器人

1．2．4 四足机器人发展所面临的关键问题

1．3 论文主要研究内容及创新点

1．4 论文章节安排

第二章 液压驱动四足机器人SCalf的设计与实现

2．1 引言

2．2 SCalf-Ⅱ机器人外形结构

2．3 SCalf-Ⅱ机载动力及液压伺服作动系统设计

2．3．1 机载动力系统设计与实现

2．3．2 一体化液压驱动单元的设计与实现

2．4 控制系统与控制方法设计

2．4．1 控制系统的设计

2．4．2 控制方法的设计

2．5 本章小结

第三章 面向全力矩控制的单腿测试系统搭建与建模

3．1 引言

3．2 单腿测试平台的搭建

3．3 单腿测试平台运动学及动力学分析

3．2．1 单腿测试平台运动分析

3．2．2 单腿测试平台动力学分析

3．4 本章小结

第四章 单腿柔顺控制方法的实现

4．1 引言

4．2 基于足底力传感器及关节位置控制的阻抗控制

4．3 基于推算足底接触力及关节位置控制的阻抗控制

4．4 基于虚拟模型及关节力控制的柔顺控制

4．5 本章小结

第五章 基于能量规划与虚拟模型控制的平面跳跃控制研究

5．1 引言

5．2 平面简化模型的运动学建模

5．3 基于虚拟模型与能量规划的跳跃控制

5．3．1 基于虚拟模型的运动控制

5．3．2 基于能量规划的跳跃控制

5．4 仿真实验

5．4．1 运动控制的仿真结果

5．4．2 跳跃控制的仿真结果

5．4．3 不同腿部质量对方法影响的测试

5．5 崎岖地面测试

5．5．1 面向崎岖地形的控制方法改进

5．5．2 仿真实验结果

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文

发明专利及软件著作权

攻读博士学位期间参加的科研项目

附录