液壓驅(qū)動雙足機(jī)器人運(yùn)動系統(tǒng)設(shè)計與控制.pdf

1、隨著Bigdog、LS3、Petman及Altas的出現(xiàn)，美國波士頓動力公司在世界范圍內(nèi)掀起了液壓驅(qū)動腿足式機(jī)器人的研究熱潮。鑒于液壓伺服驅(qū)動腿足式機(jī)器人具有動態(tài)性好、功率/質(zhì)量比大、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點和強(qiáng)大的野外自然地形運(yùn)動能力，以及良好的軍事應(yīng)用背景，國內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)先后推出了液壓驅(qū)動四足仿生機(jī)器人，并獲得了較好的野外運(yùn)動效果。本論文針對國內(nèi)仍處于空白階段的具有負(fù)重能力的液壓驅(qū)動雙足機(jī)器人運(yùn)動系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)設(shè)計、運(yùn)動學(xué)分析、步態(tài)生成方法及

2、穩(wěn)定性控制等方面開展了深入的研究，主要內(nèi)容如下:
　　1.分析了傳統(tǒng)仿人構(gòu)型的雙足機(jī)器人下肢機(jī)構(gòu)，結(jié)合液壓伺服驅(qū)動器的特點，進(jìn)一步分析了液壓驅(qū)動雙足機(jī)器人髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)自由度和踝關(guān)節(jié)橫滾自由度缺省的可行性，設(shè)計了一款具有負(fù)重能力的8-DOF經(jīng)濟(jì)實用型線性液壓伺服油缸驅(qū)動的雙足機(jī)器人運(yùn)動系統(tǒng)，并通過ADAMS運(yùn)動仿真實驗分析確定了其最大允許負(fù)重量。
　　2.基于D-H方法建立了基于軀干固定坐標(biāo)系的機(jī)器人正向運(yùn)動學(xué)方程，獲得了各關(guān)節(jié)

3、旋轉(zhuǎn)中心的相對位置參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，以機(jī)器人落足時腳掌盡量貼合地面為前提條件求解機(jī)器人前向平面逆運(yùn)動學(xué)方程，獲得了足端運(yùn)動軌跡與各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的對應(yīng)關(guān)系，并建立了機(jī)器人下蹲高度與最大步長之間的關(guān)系。
　　3.采用三次多項式插值的方法生成了靜步態(tài)行走時機(jī)器人足端相對于軀干固定坐標(biāo)系的復(fù)合步態(tài)，實現(xiàn)了8-DOF經(jīng)濟(jì)實用型液壓驅(qū)動雙足機(jī)器人運(yùn)動系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定行走。
　　4.提出了基于“LPDB”的步態(tài)生成方法，實現(xiàn)了機(jī)器人的側(cè)向動態(tài)平

4、衡;提出了基于“FDCV”的步態(tài)生成方法，實現(xiàn)了機(jī)器人前進(jìn)方向上的勻速運(yùn)動。
　　5.基于三次多項式插值方法提出了上/下樓梯時機(jī)器人足端軌跡規(guī)劃方法，指出了機(jī)器人連續(xù)上/下樓梯時足端運(yùn)動軌跡所需滿足的約束條件，實現(xiàn)了機(jī)器人連續(xù)上/下樓梯的動步態(tài)行走。
　　6.針對具有負(fù)重能力的液壓驅(qū)動腿足式機(jī)器人動態(tài)運(yùn)動過程中受到的沖擊力變化范圍大、規(guī)律性較差等問題，提出了基于機(jī)器人軀干姿態(tài)信息的位置伺服控制方法，實現(xiàn)了8-DOF液壓驅(qū)動雙

5、足機(jī)器人的動態(tài)穩(wěn)定行走。
　　7.通過8-DOF線性伺服液壓缸驅(qū)動的雙足機(jī)器人大負(fù)載條件下的ADAMS仿真實驗和物理樣機(jī)空載實驗，驗證了本文提出的步態(tài)生成方法和控制方法的正確性和有效性。
　　本論文的創(chuàng)新點主要有:
　　1.在對傳統(tǒng)12-DOF仿人構(gòu)型的雙足機(jī)器人下肢機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了國內(nèi)第一臺具有高負(fù)重能力的8-DOF經(jīng)濟(jì)實用型液壓驅(qū)動雙足機(jī)器人運(yùn)動系統(tǒng)，其最大負(fù)重/自重比可達(dá)2.5∶1，具有結(jié)構(gòu)簡潔、體積

6、小、經(jīng)濟(jì)實用等優(yōu)點。
　　2.提出了基于“LPDB-FDCV”的雙足機(jī)器人動步態(tài)生成方法，避免了基于倒立擺模型的機(jī)器人動步態(tài)運(yùn)動過程中質(zhì)心加速度變化不連續(xù)、地面沖擊較大等問題，實現(xiàn)了機(jī)器人快速穩(wěn)定的前進(jìn)、后退、側(cè)行、轉(zhuǎn)向、上/下坡以及連續(xù)上/下樓梯等動步態(tài)運(yùn)動。
　　3.針對具有負(fù)重能力的液壓驅(qū)動腿足式機(jī)器人動態(tài)運(yùn)動過程中受到的沖擊力變化范圍大、規(guī)律性較差等問題，提出了基于機(jī)器人軀干姿態(tài)信息的位置伺服控制方法，實現(xiàn)了機(jī)器人的