基于混合驱动的异构双腿机器人运动控制研究

论文摘要

异构双腿行走机器人(Biped Robot with Heterogeneous Legs, BRHL)是一种将双腿机器人和智能假肢集成研究的新型机器人模型。不但可以进行多种双腿机器人的行走实验,还可以模拟膝上截肢者安装智能假肢的情况,可以做大量重复性多样性的智能假肢测试实验,为智能假肢研究提供了一个科学的平台。机器人驱动方式的研究也极为重要,良好的驱动方式必能促进双腿机器人的发展,也将推动假肢研究向更智能的方向发展。本文在论述了双腿机器人和智能假肢的研究现状、研究意义的基础上,根据节省能源和优化驱动方式的要求,对异构双腿行走机器人的仿生腿进行了改进,提出了混合驱动膝关节的概念,并对改进的异构双腿步行机器人进行了运动控制研究。内容主要涉及模型建立、步态规划与分析、行走仿真分析等。仿生腿是模拟膝上截肢者的智能假肢,它的研制必须符合人体对假肢的需求。仿生腿不仅要具有拟人行走的功能,同时还不能增加残疾人的痛苦,可以根据外界环境及人的疲劳程度选择驱动方式,并且能满足节约能源的需要。本文提出了由MR阻尼器和滚珠丝杠传动系统组成的混合驱动系统,建立了该系统的机械模型,并通过Adams软件对其可行性进行了验证。双腿机器人行走,合理的步态是关键。混合驱动系统较为复杂,它的步态规划尤为重要,本文通过三次样条插值的方法规划出了基于混合驱动的异构双腿机器人的步态。为了进一步研究异构双腿机器人的行走,在SimMechanics中建立了基于混合驱动的BRHL的模型,分析了双腿行走机器人的地面接触力,建立了接触力控制模型。在水平路面、斜面、上台阶三种环境下对机器人的行走进行了仿真分析,得到了较为理想的仿真结果。双腿机器人行走过程就是各关节轨迹跟踪的过程,为得到较好的跟踪效果,本文基于CAN总线建立了BRHL的分布式控制系统。在分析了迭代学习控制在曲线跟踪方面应用的基础上,对机器人单关节通过迭代学习控制进行了轨迹跟踪控制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 双腿行走机器人及智能假肢的研究现状
• 1.2.1 双腿行走机器人的研究现状
• 1.2.2 智能假肢的研究现状
• 1.3 课题的提出及研究意义
• 1.3.1 异构双腿机器人的提出
• 1.3.2 异构双腿机器人混合驱动的提出
• 1.4 论文主要工作
• 1.4.1 论文主要研究内容
• 1.4.2 论文结构
• 第2章 基于混合驱动BRHL样机模型建立
• 2.1 引言
• 2.2 MR阻尼器模型及其工作原理
• 2.2.1 MR阻尼器模型
• 2.2.2 MR阻尼器的工作原理
• 2.3 滚珠丝杠传动系统的模型及工作原理
• 2.4 BRHL仿生腿混合驱动样机模型建立
• 2.4.1 四连杆模型
• 2.4.2 样机模型建立过程
• 2.4.3 基于Adams的混合驱动可行性验证
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于三次样条插值的步态规划
• 3.1 引言
• 3.2 三次样条插值原理
• 3.2.1 三次样条插值函数的定义
• 3.2.2 三次样条插值函数的求解
• 3.3 双腿行走机器人关键步态规划
• 3.3.1 踝关节和髋关节步态规划
• 3.3.2 膝关节步态规划
• 3.4 基于混合驱动的仿生腿的步态规划
• 3.5 本章小结
• 第4章 BRHL运动控制仿真研究
• 4.1 SimMechanics的简介
• 4.2 双腿机器人的地面接触力分析
• 4.2.1 弹簧阻尼模型
• 4.2.2 双腿步行机器人地面接触力控制
• 4.3 基于SimMechanics的异构双腿机器人仿真
• 4.3.1 水平路面下的仿真
• 4.3.2 斜面上的仿真
• 4.3.3 上台阶的仿真
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于迭代学习控制的轨迹跟踪
• 5.1 引言
• 5.2 基于CAN总线的异构双腿机器人分布式控制系统
• 5.2.1 基于CAN总线的人工腿伺服模块
• 5.2.2 基于CAN总线的BRHL伺服控制系统
• 5.3 基于迭代学习控制的步行机器人轨迹跟踪
• 5.3.1 MAXON直流电机模型建立
• 5.3.2 迭代学习控制基本原理
• 5.3.3 基于开环迭代学习控制的曲线跟踪
• 5.3.4 基于闭环迭代学习控制的曲线跟踪
• 5.3.5 基于迭代学习控制的单关节轨迹跟踪
• 5.4 BRHL的关节轨迹跟踪
• 5.5 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 问题与展望
• 参考文献
• 致谢