跳跃机器人轨迹规划及控制仿真研究

论文摘要

跳跃机器人具有运动灵活度高,环境适应力强等优点,可广泛应用于考古探测、星际探索、军事侦察、地质勘探、森林防护、抢险救灾以及反恐救援等地势复杂的情况。近三十年来,对跳跃机器人的研究大都集中于腿型跳跃机器人。这种跳跃机器人仿生度高,运动灵活性好,但是由于其高度非线性和强耦合特性,增加了运动分析和控制的难度。本文将跳跃机器人抽象成一个平面冗余机器人,分阶段分析了跳跃机器人运动学和动力学特性。通过引入虚拟被动关节,建立了跳跃机器人浮动基模型,利用拉格朗日方法推导了跳跃运动统一的动力学方程,从约束变换角度区分运动的不同阶段,并给出了离地的判断条件。根据跳跃机器人起跳阶段和落地阶段任务空间的要求,利用可变五次多项式分别规划了跳跃机器人起跳阶段和落地阶段任务空间轨迹。利用梯度投影法求解起跳阶段关节空间轨迹,并从速度可操作性和动能最优方面对关节空间轨迹进行优化。在分析腾空相跳跃机器人的欠驱动特性基础上,推导了跳跃机器人等效全驱动模型。并利用梯度投影法求解主动关节轨迹。针对求解过程易出现动力学奇异这一问题做出了探讨。综合运用MATLAB/Simulink和MATLAB/SimMechanics仿真平台,建立了跳跃机器人控制器模型和机构模型,对跳跃机器人进行了关节空间轨迹跟踪控制仿真分析。利用跳跃机器人浮动基模型,建立了跳跃机器人状态空间模型。采用设计趋近律的方法在任务空间上设计滑模控制器,直接对任务空间轨迹进行控制。在MATLAB /Simulink和MATLAB/SimMechanics仿真环境下对控制系统进行仿真,检验了控制算法的有效性。本论文的研究工作,对腿式跳跃机器人的建模、轨迹规划和控制具有一定的参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 跳跃机器人国内外研究现状及发展趋势
• 1.2.1 跳跃机器人的国外研究现状
• 1.2.2 跳跃机器人国内研究现状
• 1.2.3 跳跃机器人轨迹规划和控制研究现状
• 1.3 主要研究内容
• 第2章 跳跃机器人模型建立及运动分析
• 2.1 引言
• 2.2 跳跃机器人模型抽象及坐标系建立
• 2.2.1 跳跃机器人结构模型
• 2.2.2 坐标系建立
• 2.3 站立相运动分析
• 2.3.1 广义坐标选取
• 2.3.2 站立相运动学分析
• 2.3.3 站立相动力学分析
• 2.4 腾空相运动分析
• 2.4.1 广义坐标选取
• 2.4.2 腾空相运动学分析
• 2.4.3 腾空相动力学分析
• 2.5 跳跃机器人浮动基变约束运动模型建立
• 2.5.1 跳跃机器人运动变约束分析
• 2.5.2 广义坐标选取与系统自由度分析
• 2.5.3 跳跃机器人运动学分析
• 2.5.4 跳跃机器人动力学分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 跳跃机器人站立相运动规划
• 3.1 引言
• 3.2 任务空间运动规划
• 3.2.1 起跳阶段任务空间规划
• 3.2.2 落地阶段任务空间规划
• 3.3 跳跃机器人起跳阶段关节空间运动规划
• 3.3.1 梯度投影法原理
• 3.3.2 运动可优化度
• 3.3.3 基于梯度投影法的关节空间运动求解
• 3.4 基于速度方向可操作度的跳跃机器人关节空间运动优化
• 3.4.1 速度方向可操作度
• 3.4.2 基于速度方向可操作度的关节空间运动优化
• 3.5 基于动能最优的跳跃机器人关节空间运动规划
• 3.6 本章小结
• 第4章 跳跃机器人腾空相运动规划
• 4.1 引言
• 4.2 任务空间运动规划
• 4.3 跳跃机器人腾空相关节空间运动规划
• 4.3.1 跳跃机器人腾空相等价全驱动运动模型建立
• 4.3.2 跳跃机器人腾空相关节空间反解
• 4.4 跳跃机器人运动奇异性研究
• 4.5 本章小结
• 第5章 跳跃机器人起跳阶段关节空间控制仿真研究
• 5.1 引言
• 5.2 跳跃机器人系统建模
• 5.2.1 机构建模
• 5.2.2 传动系统建模
• 5.2.3 驱动电机建模
• 5.3 关节伺服控制器设计
• 5.3.1 关节速度控制器设计
• 5.3.2 关节位置控制器设计
• 5.4 跳跃机器人多关节协调轨迹跟踪控制
• 5.5 本章小结
• 第6章 跳跃机器人起跳阶段任务空间控制仿真
• 6.1 引言
• 6.2 滑模变结构控制简介
• 6.2.1 滑动模态的存在和到达条件
• 6.2.2 滑动模态的趋近律
• 6.4 跳跃机器人滑模控制器设计
• 6.4.1 跳跃机器人状态空间模型
• 6.4.2 滑模控制器设计
• 6.4.3 起跳阶段轨迹跟踪仿真
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 附录A