【摘 要】
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机器人作为一个多学科交叉应用的新兴产业近年来得到了国内外的广泛关注。腿足式机器人由于其优异的运动性能和环境适应能力,能够在各种路况下实现在前进的过程中跨越障碍物,因而广泛的使用在地震救援、军事行动等方面。在一些大功率、大承载的场合,液压的驱动方式可以很好地提高系统的可靠性。因此,本文研究一种液压驱动的四足机器人,围绕其腿部控制策略和步态规划策略展开研究,使得机器人腿部能精确按照末端轨迹进行运动,并
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机器人作为一个多学科交叉应用的新兴产业近年来得到了国内外的广泛关注。腿足式机器人由于其优异的运动性能和环境适应能力,能够在各种路况下实现在前进的过程中跨越障碍物,因而广泛的使用在地震救援、军事行动等方面。在一些大功率、大承载的场合,液压的驱动方式可以很好地提高系统的可靠性。因此,本文研究一种液压驱动的四足机器人,围绕其腿部控制策略和步态规划策略展开研究,使得机器人腿部能精确按照末端轨迹进行运动,并以Bound步态跳跃前进。机器人的数学模型是控制的基本要求,也是实现步态规划、机器人稳定运动的前提。本文首先以机器人单腿为例,通过D-H参数法建立运动学模型获得关节转角同足端位置的关系,通过Lagrange方法建立动力学模型获得关节驱动力矩和关节运动状态变量的关系,同时建立了液压缸的直线运动和关节的旋转运动之间的力、位置关系。在腿部控制策略方面,机器人的腿部硬件上采用的是12个构型一致的液压驱动单元HDU作为驱动元件。控制系统内环的HDU采用电液力控制伺服系统实现对参考力的跟踪;控制系统的外环将机器人单腿视为一多输入多输出系统,设计一种基于动力学前馈+LQR控制+积分滑模控制器(ISMC)的力矩控制策略使得关节准确跟踪期望姿态。考虑到能量损失,设计一种“规划力”策略使得处于支撑相的腿部助力其蹬地以补充能量并获得更快的速度。基于Matlab和ADAMS的联合仿真得出该策略下内环跟踪期望力误差约为0.64%,外环跟踪期望位置的误差控制在1%内。接着,分别对机器人的四条腿足端设计基于Bound步态的轨迹发生器,轨迹采用幂函数型轨迹方程,通过输入幂函数阶次、步态周期、抬腿高度和前进距离得到足端轨迹,进而作为期望角度通过力控制策略进行运动实现Bound步态。基于Matlab和ADAMS的联合仿真实现了机器人以均速为1.286m/s的跳跃前进。最后,根据已有的机器人单腿模型,对机器人的内环力控制策略和外环的力矩控制策略进行实验验证,实验结果验证了内环跟踪期望力和外环跟踪期望位置的误差均控制在2%内。
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