仿袋鼠机器人站立姿态平衡控制研究

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1、中文图书分类号：TP242.6密级：公开UDC：621.3学校代码：10005硕士学位论文MASTERALDISSERTATION论文题目：仿袋鼠机器人站立姿态平衡控制研究论文作者：王鑫鹏学科：控制科学与工程指导教师：左国玉副教授论文提交日期：2016年6月UDC：621.3学校代码：10005中文图书分类号：TP242.6学号：S201302178密级：公开北京工业大学工学硕士学位论文题目：仿袋鼠机器人站立姿态平衡控制研究RESEARCHOF：BALANCECONTROLFOR英文题目BIONICKANGAR

2、OOROBOTDURINGSTANCEPHASE论文作者：王鑫鹏领域：控制科学与工程研究方向：机器人技术申请学位：工学硕士指导教师：左国玉副教授所在单位：电子信息与控制工程学院答辩日期：2016年6月授予学位单位：北京工业大学独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论

3、文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：王鑫鹏日期：2016年6月8日关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）签名：王鑫鹏日期：2016年6月8日导师签名：左国玉日期：2016年6月8日摘要摘要跳跃机器人凭借其移动方式的优势可以在一些不连续的地貌上移动，如：沟壑、河流，其地形适应能力相比轮式、履带式等机器人有了极大

4、的提高，可以更好的应用于抢险救灾、恶劣环境的军事侦察等方面。本文设计了一种仿袋鼠机器人，并对其站立姿态的平衡控制进行了研究，主要成果如下：1）仿袋鼠机器人的系统设计通过研究袋鼠的生理结构特性，仿照袋鼠外形，设计了仿袋鼠机器人系统。腿部采用平行四边形结构结合驱动弹簧的设计方法，模拟了袋鼠腿部肌腱作用，完成机器人的跳跃功能。尾巴采用镂空结构设计，通过控制其转动惯量实现机器人的运动平衡控制。设计了基于STM32的仿袋鼠机器人电控系统，实现对机器人姿态数据的采集与处理、跳跃机构的驱动控制以及上位机系统显示等功能。2）仿

5、袋鼠机器人站立姿态动力学建模针对仿袋鼠机器人两腿同轴连接同步运动且关于身体中正面对称的结构特点，将机器人弧形脚与地面的接触点看作是固定铰链，处于地面站立状态的机器人机构就简化为一个平面机构的多刚体机构模型。使用拉格朗日（Lagrange）方程法对该刚性模型进行动力学分析并进行线性化处理，建立了站立姿态的仿袋鼠机器人的动力学模型。3）基于LQR和HPSO的仿袋鼠机器人站立平衡控制根据机器人的动力学模型设计了LQR二次型控制器，并针对人工整定LQR权值矩阵存在效率较低、准确度不高等问题，使用混合粒子群算法（HPSO

6、）对LQR控制器的权值矩阵进行优化。最后使用优化后的线性二次型控制器对仿袋鼠机器人站立平衡控制进行了仿真实验，结果表明，采用HPSO优化的LQR控制器可以提高系统的站立平衡的控制性能。4）仿袋鼠机器人站立平衡的自适应滑模控制为解决仿袋鼠机器人站立平衡中由于外部干扰等不确定因素而造成的理论分析与实际的控制系统模型不一致的问题，设计了一种基于自适应指数趋近律的滑模控制器。将自适应原理应用于滑模控制器的趋近律设计，改进传统的指数趋近律，使系统运动点在远离切换面时具有较快的趋近速度，并减小了机器人控制系统的抖振现象，仿

7、真实验证明基于自适应指数趋近律的滑模控制器具有较好的控制效果。I北京工业大学工学硕士学位论文关键词:仿袋鼠机器人；拉格朗日建模；LQR；混合粒子群算法；自适应滑模控制IIAbstractAbstractHoppingrobot,withtheadvantageofitsmovingway,canpassthroughsomediscontinuoustopography,suchasravinesandrivers.Theabilitytoadapttotheterrainofhoppingrobo

8、thasgreatlyimprovedcomparedtothewheeledrobotandcrawlerrobot,whichcanbebetterappliedtoemergencyrescue,disasterreliefandmilitaryreconnaissanceintheharshenvironment.Inthispaper,anewtypeofbionickang