基于sea的足式机器人单腿结构设计及控制研究

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1、硕士学位论文基于SEA的足式机器人单腿结构设计及控制研究LEGDESIGNANDCONTROLRESEARCHOFLEGGEDROBOTBASEDONSEA贾王强哈尔滨工业大学2015年7月国内图书分类号：TP242.2学校代码：10213国际图书分类号：621.38密级：公开工学硕士学位论文基于SEA的足式机器人单腿结构设计及控制研究硕士研究生：贾王强导师：查富生讲师申请学位：工程硕士学科、专业：机械工程所在单位：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:TP242.2U.D.C:621.38Dis

2、sertationfortheMasterDegreeinEngineeringLEGDESIGNANDCONTROLRESEARCHOFLEGGEDROBOTBASEDONSEACandidate：JiaWangqiangSupervisor：A/Prof.ZhaFushengAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechatronicsEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefense：July,

3、2015DegreeConferringInstitution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要仿生的足式机器人具有运动灵活、对环境适应能力强的特点，能够在非结构环境中稳定行走，并执行危险的任务，因此足式机器人具备在军事国防、航空航天、野外救援、工业等领域的应用潜力。通过选择合适的力伺服驱动器并采用合适的控制方法进行关节力控制对足式机器人在未知环境下稳定步行非常重要。由于传统刚性驱动器存在力和能量密度与输出阻抗不可调和的问题，本课题选用串联弹性驱动器（SEA）作为力伺服驱动器，SEA能够在保证力和能

4、量密度的同时，保证低的输出阻抗，并进行精确的力控制。因此，选用SEA作为关节力伺服驱动器，并对SEA关节单腿进行控制研究，具有重要的现实意义。本课题以液压驱动的SEA关节单腿作为研究对象，通过虚拟样机仿真和实验结合的方法，对SEA关节和单腿的力和阻抗伺服控制特性进行研究。首先，采用有限元方法设计了SEA弹性元件，并通过设计弹性元件刚度测量平台对弹性元件的刚度进行实验测量。在此基础上，通过选用合适的液压驱动器和关节传感器、设计传动机构和关节结构形式完成关节SEA设计。在保证自由度配置、运动空间等前提下，完成单腿的结构设计。其次，基于SEA关节的运动学模型建

5、立关节力矩伺服算法，并基于液压驱动器位置伺服实验精度和驱动原理，建立了液压驱动器仿真简化模型，对关节力矩伺服算法进行虚拟样机仿真分析。在此基础上，采用基于力的阻抗控制方法，对SEA关节阻抗特性进行了仿真研究。基于SEA关节力和阻抗的控制研究，进行了单腿力和阻抗的仿真研究。最后，建立SEA关节单腿实验平台，采用实验的方法，对SEA关节和单腿的力和阻抗的伺服性能进行实验研究，并对仿真结果进行验证分析。模拟足式机器人工作在未知环境下，足端受到冲击载荷作用的情况，设计了单腿足端地面冲击实验，检验单腿系统对未知环境的可靠性。关键词：足式机器人；力伺服驱动器；串联弹

6、性驱动器；阻抗控制；-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractWithgoodenvironmentaladaptabilityandmotionflexibility,Bionicandleggedrobotcanwalkstablyinunevenenvironmentandundertakedangerousmissions,whichmakesleggedrobotshavebroadapplicationprospectsinthefuture.Usingforce-controlledactuatorandcontrolalgori

7、thmtocontroljointforceisveryimportantforrobotwalkingstablyinunevenenvironment.Becauseofincompatibleproblemsofforce/energydensityandoutputimpedanceofthetraditionalrigidactuators,thethesisselectsserieselasticactuators(SEA),aforce-controlledactuator,basedonthatSEAhasthebionicstructu

8、reandverygoodbuffereffectontheimpactload