液压单腿机器人的设计与竖直跳跃控制研究

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1、硕士学位论文液压单腿机器人的设计与竖直跳跃控制研究DESIGNOFHYDRAULICSINGLELEGROBOTANDRESEARCHONVERTICALJUMPCONTROL王振楠哈尔滨工业大学2018年7月国内图书分类号：TB242.3学校代码：10213国际图书分类号：618.5密级：公开工程硕士学位论文液压单腿机器人的设计与竖直跳跃控制研究硕士研究生：王振楠导师：付宜利教授申请学位：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ClassifiedI

2、ndex:TB242.3U.D.C:618.5DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringDESIGNOFHYDRAULICSINGLELEGROBOTANDRESEARCHONVERTICALJUMPCONTROLCandidate：WangZhennanSupervisor：Prof.FuYiliAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechanicalEngineeringAffiliat

3、ion：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefense：June,2018DegreeConferringInstitution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要足式跳跃机器人具有移动能力强，运动迅速的特点，在震后救灾、战场侦察和太空探测等场景中具有很高的实用价值，日益成为机器人研究的热门领域。因此本文以机器人的跳跃能力为核心，分以下几个方面展开了竖直跳跃控制的研究工作。关节式单腿机器人的结构设计。研究了基于四

4、连杆传动机理的髋关节和膝关节传动方案，合理地选取了结构参数和液压驱动器的布置方案，使单腿机器人具备了与人体腿部相似的自由度和运动范围，展现出了良好的仿生特性。运动学和动力学建模。建立了单腿机器人足端位置与关节角度间的正逆向解算关系，并以关节角度为自变量对液压缸行程进行了线性拟合，实现了机器人姿态的完全解耦。构造了基于拉格朗日法的动力学模型，整合了着地相和腾空相的动力学方程，并建立了关节力矩与关节角度间的线性拟合关系。以此为基础，分析了关节力矩的作用规律和地面冲击对关节力矩的影响。关节式单腿的竖直跳跃运动规划

5、。以跳跃高度为预期指标，分析了竖直跳跃SLIP模型的运动规律。通过将机器人质心映射至模型轨迹，解算出能够驱动单腿进行预期高度跳跃的液压缸行程函数。提出了基于余弦运动的跳跃规划，并在仿真环境下验证和比较了上述两种模型的作用效果。最后结合液压驱动的特性，提出了基于液压力控制的位置规划跳跃方法，实现了跳跃规划理论与实际控制的统一。落地缓冲控制策略的研究。推导了液压执行机构的力伺服框图，并设计出具有多余流量补偿反馈回路的液压力控系统。以此为基础，建立了关节阻抗模型和单腿虚拟模型这两种主动缓冲控制策略，研究了其缓解冲

6、击的作用机理和控制程序的实现流程；并且通过理论推导和仿真实验的方式，为缓冲控制策略的参数选取提供了参考。竖直跳跃及落地缓冲实验。搭建了竖直跳跃实验平台及其控制系统，在负重和定高度的释放条件下，分别进行了无缓冲策略条件下和基于两种主动控制策略的落地缓冲实验。以膝关节液压缸所受冲击力的缓解程度和姿态恢复稳定的时间为评价指标，验证了控制策略缓解冲击的效果。最后通过设置基于等效腿长判据的切换条件，整合了起跳相和着地相的控制策略，实现了单腿机器人的原地竖直起跳和着地后姿态恢复。关键词：单腿机器人；液压驱动；竖直跳跃规

7、划；落地缓冲控制。-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractThefootjumprobotwithcharacteristicsofstrongmovingabilityandhighspeed,hashighutilityinsceneslikeafterearthquakedisasterrelief,battlereconnaissanceandspaceexploration.Ithasincreasinglybecomehotfieldofrobotresearch.Therefore

8、,thethesisconcentratesonresearchworkofverticaljumpcontrolfromfollowingseveralaspects,withthejumpabilityofone-leggedrobotasitscore.Thestructuraldesignofone-leggedrobot.Thetransmissionschemeofhipsandkneesbasedo