液压四足机器人固有频率分析及阻抗控制.pdf

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1、工程硕士学位论文液压四足机器人固有频率分析及阻抗控制NATURALFREQUENCYANALYSISOFHYDRAULICQUADRUPEDROBOTANDIMPEDANCECONTROL牛振国哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TP273.3学校代码：10213国际图书分类号：681.5密级：公开工程硕士学位论文液压四足机器人固有频率分析及阻抗控制硕士研究生：牛振国导师：杨庆俊副教授申请学位：工程硕士学科：机械工程所在单位：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ClassifiedIndex:TP273.

2、2U.D.C:681.5DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringNATURALFREQUENCYANALYSISOFHYDRAULICQUADRUPEDROBOTANDIMPEDANCECONTROLCandidate：NiuZhenguoSupervisor：AssociateProf.YangQingjunAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpecialty：MechanicalEngineeringAffiliation：Schoolo

3、fMechatronicsEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要液压四足机器人因为能够适应各种复杂的地面条件、灵活的机动性能、较高的负载能力，作为特种军用机器人在近年来受到了广泛的重视，但是如何才能保证机器人稳定高效行走目前还没有成熟的理论。本文从基于液压固有频率分析的控制器设计和阻抗控制算法两个角度入手，实现机器人在平整地面上的稳定行走。首先，对机器人处于摆动状态

4、和支撑状态的单条腿分别进行运动学和动力学分析，通过拉格朗日方程得到机器人各个关节上的力矩方程，利用等效质量矩阵和等效刚度矩阵计算机器人腿部的各阶液压固有频率，分析各个结构参数的影响，并利用模型线性化的方法得到某一个姿态下的简化的状态方程，进一步分析液压固有频率对机器人整体控制特性的影响。其次进行单腿位置控制的研究。利用ADAMS-Simulink搭建仿真平台，用仿真方式评估位置控制器的效果。在位置控制中引入分段PID控制和前馈控制两种控制算法，用来减小系统位置响应的滞后，通过仿真分析方式验证了两种控制算法的有效性。接下来搭建单腿基于位置控制

5、的阻抗控制模型，利用理论关节转矩与实际关节转矩之差计算足端外部负载，实现负载跟踪。通过这种主动柔顺控制提高机器人腿部对环境变化的适应能力。并将单腿阻抗控制模型扩展到机器人四条腿，通过阻抗控制降低机体绕支撑点倾覆等因素对位置控制的干扰，实现机器人的长距离稳定直线行走。最后搭建机器人单腿阻抗控制实验台，利用SimulinkReal-Time搭建实验台实时控制系统，采集液压缸的位置和出力作为反馈信号，进行机器人单腿的位置跟踪实验和阻抗控制实验，验证仿真的准确性。本课题通过分析液压四足机器人液压动力机构的固有频率，定量的分析四足机器人各部分结构参数

6、在不同工况下对机器人整体动态性能的影响，为结构设计和控制器设计提供了理论上的指导，据此设计了低延迟的位置控制器。在此基础上，通过与阻抗控制算法的配合实现对环境因素干扰的校正，达到让四足机器人的长距离稳定行走的目的。关键词：四足机器人；液压系统；固有频率；阻抗控制-II-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractDuetoitsabilitytoadapttovariouscomplexgroundconditions,flexiblemaneuverability,andhighloadcapacity,hydraulicquadrup

7、edrobotshavereceivedextensiveattentionasspecialmilitaryrobotsinrecentyears.However,howtoensurethatquadrupedrobotscanmovestablyandhighlyefficientisnotyetdetermined.Thisarticlewillstartwiththeanalysisofthehydraulicnaturalfrequencyandtheimpedancecontrolalgorithmtoachieveastab

8、lewalkingontheflatground.Firstly,thekinematicsanddynamicsofthesinglelegoftherobotintheswi