基于虚拟样机的液压四足机器人能耗分析研究

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1、基于虚拟样机的液压四足机器人能耗分析研究宗晓艳2016年1月中图分类号：TP271.3UDC分类号：62-3基于虚拟样机的液压四足机器人能耗分析研究作者姓名宗晓艳学院名称自动化学院指导教师汪首坤副教授答辩委员会主席王军政教授申请学位级别工学硕士学科专业控制科学与工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2016年1月AnalysisofenergyconsumptionofhydraulicquadrupedrobotbasedonvirtualprototypeCandidateName：ZongXiao

2、yanSchoolorDepartment:SchoolofAutomationFacultyMentor:A.P.WangShoukunChair,ThesisCommittee：Prof.WangJunzhengDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor：ControlScienceandEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：Jan,2016研究成果声明本人郑重声明：所提交的学

3、位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要四足机器人因其机械结构、控制系统相对简单，近来一直是机器人领域的研究热点。通过液压驱动的四足机器人具有多种优势，首先同电机驱动的机器人相比具有较大的负

4、载能力，其次液压系统可以在相对较短时间内提供足够大的驱动力，此外，液压系统还具有体积小、输出功率大、精度高的优点。因此，用液压系统驱动的四足机器人是机器人研究领域的又一个新的趋势。对液压四足机器人的研究包含多个方面，随着新材料技术，传感器技术，控制技术的发展，四足机器人的性能不断提升，能够实现环境感知、环境识别、人机互动等复杂的功能。然而如何提高能量利用率，优化四足机器人系统已经成为四足机器人面临的重要挑战。本课题以北京理工大学检测实验室自主研发设计的液压四足机器人为研究平台，针对具体的液压四足机器人系统

5、进行能耗分析。文章首先采用D-H矩阵法对液压四足机器人进行数学建模，针对D-H矩阵法逆运动学建模求解过程中出现的运动学冗余问题，又提出了改进的方法即解析法建模，通过对入地角度的约束，可以解决逆运动学求解过程中出现的冗余问题。文章对系统能耗的分析研究主要分为两部分，一部分是对驱动系统的效率进行分析计算，通过分析计算得出影响驱动系统效率的主要因素，并通过模糊自适应PID算法进行改进，提高了系统效率；另外一部分主要是对步态参数和结构参数对能耗的影响进行仿真分析，总结出提高系统效率的方法。在对能耗进行分析研究的过

6、程中，文中提出了三种能耗指标即：能耗比、平均功率比和功率密度损耗，针对不同的能耗指标，文中均做了仿真分析研究，并分析了步态参数和结构参数对这三种指标的影响。在对液压四足机器人能耗进行分析的过程中，由于对角步态具有较大的速度适应范围、更好的稳定性且对地形的适应性比较好、在分析计算过程中能够减少工作量、同时很大程度上保持自身的稳定性，因此文中主要采用的是对角步态。最后为了进一步降低系统能耗，提高系统稳定性，在液压四足机器人足端加入了减震装置，通过联合仿真对比分析了弹簧装置对能耗的影响。关键字：四足机器人；逆运

7、动学；驱动系统效率；能耗比；平均功率比；能耗密度I北京理工大学硕士学位论文AbstractQuadrupedrobothasbeenahotpotinthefieldofroboticsbecauseofitssimpleme-chanicalstructureandcontrolsystem.Quadrupedrobotwhichisdrovebyhydraulicsystemhaslotsofadvantages.Firstly,comparedwithrobotdrovebyelectronicsy

8、stemhydraulicquadrupedrobothaslargerload;secondly,hydraulicsystemcanprovidesufficientlylargedrivingforceinamoment.What’smore,hydraulicsystemalsohastheadvantagesofsmallsize,highoutputpowerandhighaccuracy.Therefore,hy