具柔性脊柱的四足機器人結構優(yōu)化與控制.pdf

1、四足機器人具有良好的環(huán)境適應性和運動靈活性，可以廣泛運用于軍事、工業(yè)、生活等各個方面，成為機器人研究領域中的熱點問題。論文在前人研究的基礎上，設計了具有柔性脊柱的四足機器人，建立了其動力學模型，分析了bound步態(tài)下模型的被動運動特性，研究了機身長度、慣量和剛度參數(shù)對機器人運動性能和穩(wěn)定性的影響，完成了結構參數(shù)優(yōu)化，提出了機器人常用步態(tài)的控制方法。
　　獵豹被認為是速度最快的四足哺乳動物，本文從仿生學角度出發(fā)，參考獵豹的骨骼構型和

2、運動方式，開發(fā)HUST cheetah四足機器人。依照獵豹的骨骼結構特點，構建四足機器人的基本構型框架。分析在不同運動狀態(tài)下獵豹的受力特性，提出四足機器人基本設計原則。仿生學研究發(fā)現(xiàn)動物在運功過程中，關節(jié)之間存在很大的相關性，利用主成份分析法(Principal Component Analysis)探究獵豹運動過程中各個關節(jié)間的相關性，耦合具有相關性的關節(jié)，減少了機器人主動驅(qū)動關節(jié)數(shù)量，優(yōu)化機器人的機械結構。在此基礎上，提出了HUST

3、 cheetah四足機器人的設計原理和整體設計方案。
　　觀察獵豹bound步態(tài)的運動特點，通過合理假設與簡化，建立具柔性脊柱的四足機器人在bound步態(tài)下的動力學模型。為了減少該模型的結構參數(shù)變量、使模型更具有一般性，對模型進行了無量綱化處理。采用龐加萊映射方法研究此模型的被動動力學，利用牛頓-拉弗遜方法提出了模型不動點求解方法。分析了在不動點下模型的被動運動特性，提出了不動點穩(wěn)定性的判定方法，為結構參數(shù)優(yōu)化和控制研究提供理論基

4、礎。
　　穩(wěn)定性研究發(fā)現(xiàn)合理的結構參數(shù)是決定機器人穩(wěn)定性的關鍵。以提高具柔性脊柱的四足機器人在不動點處的運動性能和穩(wěn)定性為優(yōu)化目標，提出了同一系統(tǒng)能量狀態(tài)下不動點的搜索方法，分析在同一能量狀態(tài)下機器人脊柱長度、慣量和剛度對不動點穩(wěn)定性的影響，得出了腿部剛度和脊柱剛度是決定具柔性脊柱的四足機器人穩(wěn)定性的關鍵因素，進而完成了四足機器人長度、慣量和剛度優(yōu)化。在此基礎上進一步分析了非對稱前后脊柱參數(shù)對機器人運動性能和穩(wěn)定性的影響，研究發(fā)現(xiàn)

5、合理降低前后脊柱質(zhì)量比既保證了穩(wěn)定性又提升了機器人的運動性能，據(jù)此完成了非對稱前后脊柱參數(shù)的優(yōu)化。此外剛性脊柱模型和柔性脊柱模型的對比分析發(fā)現(xiàn)，柔性脊柱能夠提高四足機器人的運動性能。
　　基于被動動力學研究結論可知，在理想情況下機器人能夠在無需借助外界驅(qū)動的情況下實現(xiàn)自穩(wěn)定的周期運動。然而由于摩擦、外界干擾等因素的影響，機器人很難持續(xù)穩(wěn)定運動。為使HUST cheetah機器人能夠按照被動運動方式實現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定運動，本文構建了基于機

6、器人被動動力學的分層控制器。在高層控制器中，利用被動動力學，提出了基于目標狀態(tài)的關節(jié)控制方法。在底層控制器中，提出了基于位置和速度閉環(huán)的PD力矩控制，并通過仿真試驗驗證了控制算法的有效性。此外，獵豹常用步態(tài)除了適合高速運動的bound步態(tài)外，還有適合低速運動的tort步態(tài)，本文還提出了基于彈簧倒立擺模型(SLIP)的HUST cheetah機器人tort步態(tài)控制方法。在上述理論分析與研究基礎上，開發(fā)了具有柔性脊柱的四足機器人HUST c