三自由度液压驱动单腿控制系统设计与实现

摘要

腿足式机器人较其它形式的移动机器人而言具有更好的地形适应能力和运动灵活性，因此成为目前机器人研究领域最热门的方向之一，其中又以四足机器人最受青睐。为了实现四足机器人的高负载和高动态性，研究者开始将液压驱动的方式应用到四足机器人中，并获得了巨大的成功。
　　液压驱动四足机器人是一个异常复杂的系统，倘若直接进行整机的研制，难度将非常大，与此同时，研究者们发现，对四足机器人的控制归根结底是对机器人每条腿的控制，可以说机器人的单腿系统是机器人控制的基础和关键，它的优劣将直接决定机器人的整体性能。本论文基于实验室搭建的单腿测试平台，对单腿的控制策略和伺服控制系统展开了相关研究，主要内容如下:
　　(1)首先介绍了液压驱动四足机器人的研究背景，以及机器人单腿系统和液压伺服控制系统的发展现状，给出了论文的主要研究内容和章节安排。
　　(2)单腿的运动学建模。分析了实验室现有的单腿测试平台，得到了其简化模型。在此基础上利用D-H齐次坐标变换法建立了三自由度单腿的坐标系，结合连杆参数给出了单腿的正向运动学方程，利用几何约束法实现了单腿逆运动学的求解。最后分析了单腿的足端工作空间。
　　(3)单腿控制策略制定。针对液压驱动方式的特性，设计了PI控制器作为单个液压缸位置/力伺服的控制策略，设计了基于虚拟模型的控制器作为实现单腿主动柔顺的控制策略，为单腿的柔顺控制奠定了基础。
　　(4)单腿伺服控制系统设计。设计了基于DSP的液压伺服控制系统，实现了单腿系统上三个液压缸的力、位置的混合控制，大大提高了单腿系统的静态及动态性能。
　　(5)实验验证。设计设计了控制系统软件和硬件的实验、单个液压缸位置控制以及力控制略的实验、单腿主动柔顺策略的实验，验证了所设计的伺服控制系统和单腿的伺服控制策略。在此基础上设计并完成了单腿的连续跳跃实验。实验结果表明，本论文设计的伺服控制系统的各项指标均达到了预期的要求，设计的单腿控制策略切实可行。
　　(6)总结了本论文的主要工作和不足之处，并对下一步的工作进行了展望。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外液压驱动四足机器人研究现状

1．2．1 国外液压驱动四足机器人发展现状

1．2．2 国内液压驱动四足机器人发展现状

1．3 液压驱动四足机器人单腿系统研究现状

1．4 液压伺服控制系统概述

1．5 论文主要研究内容及章节安排

第二章 三自由度单腿系统运动学建模

2．1 引言

2．2 机器人单腿系统实验平台简介

2．3 基于Denavit-Hartenberg方法的单腿运动学建模

2．4 单腿的雅克比

2．5 单腿末端的工作空间

2．6 本章小结

第三章 三自由度单腿运动控制策略

3．1 引言

3．2 单个液压缸的位置伺服以及力伺服控制策略

3．3 单腿柔顺控制策略

3．4 本章小结

第四章 基于DSP的单腿系统液压伺服控制器设计

4．1 引言

4．2 控制系统功能和性能要求

4．3 总体方案设计

4．4 控制系统硬件电路设计

4．4．1 控制器核心处理器选型

4．4．2 A／D转换模块设计

4．4．3 D／A转换模块设计

4．4．4 功率放大模块设计

4．4．5 信号调理模块设计

4．4．6 信号隔离模块设计

4．4．7 CAN通信模块设计

4．5 控制系统软件设计

4．5．1 下位机软件设计

4．5．2 上位机软件设计

4．6 本章小结

第五章 单腿系统实验设计与分析

5．1 引言

5．2 单腿伺服控制系统实验

5．2．1 A／D数据采集模块验证

5．2．2 D／A输出模块验证

5．3 单腿位置伺服和力伺服跟随实验

5．3．1 单个液压缸位置伺服跟随实验

5．3．2 单个液压缸力伺服跟随实验

5．4 单腿弹跳实验

5．5 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