液壓驅動雙足機器人運動系統(tǒng)設計與控制.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掀起了液壓驅動腿足式機器人的研究熱潮。鑒于液壓伺服驅動腿足式機器人具有動態(tài)性好、功率/質量比大、結構緊湊等優(yōu)點和強大的野外自然地形運動能力，以及良好的軍事應用背景，國內外多家研究機構先后推出了液壓驅動四足仿生機器人，并獲得了較好的野外運動效果。本論文針對國內仍處于空白階段的具有負重能力的液壓驅動雙足機器人運動系統(tǒng)的機構設計、運動學分析、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，主要內容如下:
　　1.分析了傳統(tǒng)仿人構型的雙足機器人下肢機構，結合液壓伺服驅動器的特點，進一步分析了液壓驅動雙足機器人髖關節(jié)旋轉自由度和踝關節(jié)橫滾自由度缺省的可行性，設計了一款具有負重能力的8-DOF經濟實用型線性液壓伺服油缸驅動的雙足機器人運動系統(tǒng)，并通過ADAMS運動仿真實驗分析確定了其最大允許負重量。
　　2.基于D-H方法建立了基于軀干固定坐標系的機器人正向運動學方程，獲得了各關節(jié)

3、旋轉中心的相對位置參數(shù)。在此基礎上，以機器人落足時腳掌盡量貼合地面為前提條件求解機器人前向平面逆運動學方程，獲得了足端運動軌跡與各關節(jié)轉角的對應關系，并建立了機器人下蹲高度與最大步長之間的關系。
　　3.采用三次多項式插值的方法生成了靜步態(tài)行走時機器人足端相對于軀干固定坐標系的復合步態(tài)，實現(xiàn)了8-DOF經濟實用型液壓驅動雙足機器人運動系統(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)了機器人的側向動態(tài)平

4、衡;提出了基于“FDCV”的步態(tài)生成方法，實現(xiàn)了機器人前進方向上的勻速運動。
　　5.基于三次多項式插值方法提出了上/下樓梯時機器人足端軌跡規(guī)劃方法，指出了機器人連續(xù)上/下樓梯時足端運動軌跡所需滿足的約束條件，實現(xiàn)了機器人連續(xù)上/下樓梯的動步態(tài)行走。
　　6.針對具有負重能力的液壓驅動腿足式機器人動態(tài)運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液壓驅動雙

5、足機器人的動態(tài)穩(wěn)定行走。
　　7.通過8-DOF線性伺服液壓缸驅動的雙足機器人大負載條件下的ADAMS仿真實驗和物理樣機空載實驗，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仿人構型的雙足機器人下肢機構運動分析的基礎上，設計了國內第一臺具有高負重能力的8-DOF經濟實用型液壓驅動雙足機器人運動系統(tǒng)，其最大負重/自重比可達2.5∶1，具有結構簡潔、體積

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