基于变刚度主动柔性关节的四足机器人稳定运动控制研究

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1、分类号：TH11密级：UDC：编号：201321202082河北工业大学硕士学位论文基于变刚度主动柔性关节的四足机器人稳定运动控制研究论文作者：吕鑫学生类别：全日制学科门类：工学学科专业：机械工程指导教师：张明路职称：教授资助基金项目：国家自然科学基金项目（61503119）河北省教育厅优秀青年基金项目（YQ2014027）DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofMechanicalEnginee

2、ringTHESTABLEMOTIONCONTROLSTUDYONQUADRUPEDROBOTBASEDONTHEFLEXIBLEJOINTWITHACTIVELYVARIABLESTIFFNESSbyLvXinSupervisor:Prof.ZhangMingluMarch2016ProjectsupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina（GrantNo.61503119）andOutstandingYouthFundofEduca

3、tionDepartmentofHebeiProvince(GrantNo.YQ2014027)原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文不包含任何他人或集体已经发表的作品内容，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：日期：关于学位论文版权使用授权的说明本人完全了解河北工业大学

4、关于收集、保存、使用学位论文的以下规定：学校有权采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供本学位论文全文或者部分内容的阅览服务；学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流；学校有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：日期：导师签名：日期：摘要柔性关节四足机器人因其在运动过程中缓冲外部冲击以及能耗优化方面的巨大优势而在四足机器人发展领域受到了越来越多的关注。针对定刚度柔性关节四足机器人在运动

5、过程中存在的一些不足，本文进行了基于变刚度主动柔性关节四足机器人的稳定运动控制研究，通过本文的控制策略可以消除由于柔性环节的存在而对机器人稳定运动过程产生的不利影响，同时，使得变刚度主动柔性关节四足机器人相比于定刚度柔性关节四足机器人具有更优的能耗。首先，建立了变刚度主动柔性关节四足机器人的简化模型，通过对四足机器人模型的运动学、变刚度主动柔性关节的主动变刚度机构参数标定方法以及关节输出力矩估计函数动态辨识方法的研究，为后续基于变刚度主动柔性关节的四足机器人稳定运动控制研究奠定基础。然后，针对变

6、刚度主动柔性关节四足机器人腿部在摆动相运动过程中存在震荡的问题，本文首先对四足机器人运动过程中的震荡原因进行了分析，在明确了震荡原因的基础上，规划变刚度主动柔性关节的控制方法，并进行了四足器人腿部摆动相足端轨迹的生成方法研究。最后，本文进行了基于关节刚度主动调节的崎岖路面下四足机器人爬行步态以及平坦路面下四足机器人对角步态的稳定运动控制策略研究。通过调节关节主动变刚度系数对四足机器人爬行步态运动过程中以及落地足数量改变时的足端线位移偏移量进行控制，保证四足机器人不至产生不期望的机身倾角；通过对四

7、足机器人对角步态下的关节柔性环节储能进行分析，阐述了关节目标刚度的推导方法；为了对机身姿态角进行控制，提出了基于足力调节的四足机器人对角步态下的机身姿态角调节策略，并在控制方法中对足端线位移偏移引起的额外机身倾角进行了补偿；为了使四足机器人关节柔性环节储能更多的应用于有利于四足机器人稳定运动或者符合期望运动轨迹的方面，本文通过数值分析的方法对不同刚度下的关节柔性环节释放能量特性进行了分析。关键字：变刚度主动柔性关节，运动控制，刚度调节，足端线位移偏移IIIABSTRACTThequadruped

8、robotbasedonflexiblejointisgotmoreandmoreattentioninthefieldofquadrupedrobotresearch,becauseofitsgreatadvantagesinbufferingexternalshocksandenergyconsumptionoptimizationintheprocessofmotion.Aimingatsomeproblemofquadrupedrobotbasedonflexiblejointwithf