基于动力学的大型重载六足机器人力分配方法研究

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1、工学硕士学位论文基于动力学的大型重载六足机器人力分配方法研究RESEARCHONFORCEDISTRIBUTIONMETHODOFLARGEHEAVY-DUTYHEXAPODROBOTBASEDONDYNAMICS郑朋龙哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TP242.3学校代码：10213国际图书分类号：681.5密级：公开工学硕士学位论文基于动力学的大型重载六足机器人力分配方法研究硕士研究生：郑朋龙导师：王鹏飞副教授申请学位：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：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedInde

2、x:TP242.3U.D.C:681.5DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONFORCEDISTRIBUTIONMETHODOFLARGEHEAVY-DUTYHEXAPODROBOTBASEDONDYNAMICSCandidate:ZhengPenglongSupervisor:A/Prof.WangPengfeiAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpeciality:MechatronicsEngineeringAffiliation:Sc

3、hoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence:June,2018Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology摘要摘要大型重载六足机器人的承载能力高、稳定性强、有良好的可通过性，非连续环境接触特性使其能适应复杂山地环境并替代传统交通工具等实现物资运输，因此，其有重要的研究价值和意义。大型重载六足机器人由于体积大、重量大等自身原因或环境中存在突起和凹陷地形等外界原因，可能在行走时产生较大的力冲击，造成腿部机械构件的损坏，或者造成驱动物理量瞬时变化值过大，进而

4、造成驱动器损坏的不良后果；机器人在行走时足受力的不均衡，会造成机器人的姿态出现变化，严重的可能造成机器人的倾覆。针对上述问题，本文对大型重载六足机器人相关关键技术进行了研究，针对研究对象的实际特点，设计了大型重载六足机器人力-位多层闭环的混合控制框架，实现了研究对象的连续稳定运动控制。首先，针对研究对象类缩放机构腿的结构特点，进行了机器人腿部正、逆运动学和动力学建模计算，解决了单腿逆运动学无显式解析解的问题，并进行了单腿动力学建模，为后续控制系统设计奠定了基础。规划了一条能有效减小足力冲击且符合能耗最优约束条件的摆动相轨迹。搭建了仿真验证系统，通过仿真验证了建模

5、方法的正确性，实现了对规划轨迹的跟踪。其次，分析了六足机器人步态生成和切换方法，给出了一种能够有效描述机器人运动状态随时间变化的步态表示方法，解决了机器人模式运动的描述问题。在此基础上，分析了机器人处于不同运动模式时的受力情况，给出了一种适用于不同运动模式的基于杠杆原理的足力分配方案，实现了机器人对前进速度、加速度的跟踪，并最终实现稳定运动。为解决环境不确定性给机器人行走和控制系统稳定带来的挑战，将机器人进行了抽象，虚拟出阻抗控制模型。通过数值仿真实验讨论了阻抗控制的参数整定和相应的控制效果，给出了顶层的控制框架。最后，为综合验证上述理论分析的正确性及有效性，基

6、于计算力矩法搭建了单腿的力控制系统和整机力分配控制系统的综合控制框架。在此基础上，通过单腿仿真实验，验证了动力学计算的正确性和控制系统的有效性，实现了单腿对不同运动轨迹的良好的跟踪效果；进一步，针对平地下的站立和加速、上下坡面等不同工况进行了仿真和分析，综合验证了力分配方法的有效性和控制系统的实用性；最后，搭建了实际实验平台，通过实物实验，实现了机器人的稳定行走和步态切换，进一步佐证了本文所提出的重载六足机器人力分配理论的正确性。关键词：六足机器人；轨迹规划；动力学；力分配；杠杆原理；阻抗控制；-I-AbstractAbstractThelarge-scaleh

7、eavy-dutyhexapodrobothashighcarryingcapacity,strongstabilityandgoodpassability,itcanadapttothecomplexmountainousenvironmentandreplacevehiclestocarryoutmaterialtransportationbecauseofdiscontinuousenvironmentalcontactcharacteristics,therefore,ithasimportantresearchvalueandsignificance.

8、Large-scaleh