基于SEA的双足机器人变刚度虚拟腿研究

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1、硕士学位论文基于SEA的双足机器人变刚度虚拟腿研究RESEARCHONVARIABLESTIFFNESSCONTROLOFVIRTUALLEGFORBIPEDROBOTBASEDONSEA（学术型）雷昱哈尔滨工业大学2015年7月国内图书分类号：TB242.3学校代码：10213国际图书分类号：618.5密级：公开工学硕士学位论文基于SEA的双足机器人变刚度虚拟腿研究（学术型）硕士研究生：雷昱导师：付宜利教授申请学位：工学硕士学科：机械电子工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2015年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TB242.3U.D.C:618.5Disse

2、rtationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONVARIABLESTIFFNESSCONTROLOFVIRTUALLEGFORBIPEDROBOTBASEDONSEA（Academic）Candidate：LeiYuSupervisor：Prof.FuYiliAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechatronicsEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：July,2015De

3、gree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要双足机器人关节自由度多，有着非常好的灵活性和环境适应能力，能够在平坦路面、台阶、小障碍地面上行走。弹簧倒立摆模型（SLIP）是研究双足机器人行走运动的典型理论模型。该模型由两条线性弹簧腿和上身质量组成，其特点是将机器人的腿部等效为两个线性弹簧，并且弹簧的刚度会影响模型行走的稳定性。SLIP模型稳定行走的必要条件是弹簧腿的刚度必须控制在指定范围内。为了借助SLIP模型来研究机器人的稳定行走，首先需要实现理论模型到物理样机的映射，使物理样机能够实现SLIP

4、模型变刚度虚拟腿的特性。本文围绕双足机器人虚拟腿变刚度问题展开研究，目的是实现物理样机的虚拟腿变刚度控制。基于此，本文完成了平面双足机器人下肢机构的设计，提出虚拟腿变刚度控制方法，并通过实验验证了控制方法的可行性。本文完成以下研究内容：首先分析了典型串联弹性驱动器（SEA）的结构和工作原理，设计了新型的串联弹性模块，并完成了平面双足机器人下肢机构设计。机器人单腿包含膝关节和髋关节屈伸自由度，关节的运动范围满足平面行走的要求。然后进行了关节运动学分析，得到关节角度与液压缸位移和弹簧压缩量的关系，以便运动时对角度的控制。基于机器人腿部结构，课题研究了虚拟腿变刚度理论和变刚度控制方法，分析了控制变量

5、对虚拟腿等效刚度的影响，并通过数值计算得到了虚拟腿等效刚度的三维曲面图。然后提出力矩平衡控制法和变刚度曲面拟法两种方法来实现对机器人虚拟腿的变刚度控制。最后进行了虚拟腿变刚度实验和机器人行走实验。虚拟腿变刚度实验采用两种控制方法进行控制，实验时使期望刚度从20KN/m变化到5KN/m，通过实验数据计算得到虚拟腿刚度的实验值，实验刚度值大小可以接受。最后通过实验数据分析了两种控制方法的优劣。力矩平衡控制方法控制精度高，但是解算过程复杂；变刚度曲面拟合法求解过程简单，控制精度低，只适合虚拟腿在小刚度内的控制。机器人行走实验借助SLIP模型，对支撑腿采用虚拟腿刚度控制，对摆动腿采用位置控制，实现了基

6、于SLIP模型的简单平面行走，验证了虚拟腿变刚度控制的有效性。通过以上工作，文章实现了双足机器人物理样机虚拟腿的变刚度控制，为以后借助SLIP模型研究双足机器人稳定行走奠定基础。关键词：双足机器人；弹簧倒立摆模型；机构设计；虚拟腿变刚度-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractBipedrobothassufficientjointsandperformsperfectmovementflexibility.Ithasstrongabilitytoadapttotheenvrionmentbeingabletowalkonaflatroad,stairsandcrossingsmal

7、lobstaclesground.Spring-loadedinvertedpendulum（SLIP）isatypicaltheoreticalmodeltostudystablewalkingforbipedrobot.SLIPmodelconsistsoftwolinearspringlegsandupperbodymass.Thedistinctfeatureistoregardlegso