双臂单腿弹跳机器人控制系统研究

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1、双臂单腿弹跳机器人控制系统研究ControlSystemResearchofAnOne-LegHoppingRobotwithTwoActuatedArms答辩人:梁聪慧导师:陆震教授自动化科学与电气工程学院机电系2007年12月20日目录1.课题研究现状与研究内容2.控制系统的建模及控制算法研究3.机器人的鲁棒控制算法研究4.控制算法仿真，系统需求性分析5.控制系统的设计与实现6.控制系统的实验研究1.国内外研究现状及研究内容单腿跳跃机器人：单腿跳跃机器人是模拟袋鼠、麻雀等生物运动方式的一类仿生机器人。相比于轮式、履带式、爬行或步行

2、机器人，单腿跳跃机器人具有更强的越障能力和机动性以及更高的运动效率和速度。在诸如勘探、搜救以及行星探测等太空探索领域具有重要的应用价值。有助于深入理解步行机器人的动态平衡和稳定原理，为步行机器人的动态步行、跑步和跳跃控制奠定基础。同时由于单腿跳跃机器人为一个静态不稳定，变约束的多体动力学系统，具有较强的动力学耦合效应以及非线性特性，是验证先进控制算法的一个很好的平台。国内外研究现状:开创者：MITLeglaboratory的MarcRaibert教授80年代研制了2D，3D，双足，四足机器人（BostonDynamic）此后出现了各种

3、形式的单腿跳跃机器人：McgeerUniv.MatinBuehler：ARLMonopod电机驱动CarnegieMelonBenBrown：Bow—Leg高效自治UCberklyMatthewD.Berkemeire：Acrobot杂技机器人ATRJAPANS.H.Hyon：Kenken仿生腿2DHopperMITLegLabUSA结构：机器人的腿内装有气动的弹簧及驱动器,身体和腿之间的夹角通过比例伺服阀控制的气缸进行调节。身体和腿之间的夹角、腿与地面的夹角以及腿的长度通过电位计进行测量，机器人脚底的压力开关用来判断与地面接触的状态

4、，机器人的姿态则通过光纤陀螺进行测量。控制：通过“三步控制法”利用PD控制器分别对机器人跳跃高度、前向速度和姿态进行解耦控制。基于“电动磁带模型”(MotorTapeModel)的控制算法即事先将机器人的控制信号存储起来，通过传感器检测得到机器人实际的状态，再通过查表的方法将控制信号输出给驱动器。ARLMonopodⅡMCgeerUniv.结构：由机器人（ARLMonopodⅡ）虚拟运动控制系统（VirtualMotionSystem）网络通讯(Tcplink)和计算机控制软件(UnixWorkstation)组成控制：机器人上包括一

5、个由两个微处理器构成的控制单元、传感器、执行器和能源部分。类似于传送带的踏车系统虚拟机器人的前后向跳跃中接触的地面。当代码在计算机里面开发后以后，通过网络将代码下载到机器人上的控制器中，通过控制机器人和传送带，实现机器人的原地和前后向跳跃的速度和距离的控制，机器人的姿态数据通过机器人各个关节的关电码盘采集后通过网络发送给Unix工作站。ARLMonopodⅡ控制系统工作流程图控制器由两个具有并行浮点计算功能的INMOS微处理器构成，其中控制指令的计算、数据转换、滤波处理在其中的一个高端处理器IMST800D上进行，低端处理器IMST2

6、25则负责I/O功能，包括传感器信号获取、控制命令的发送、时钟管理等功能。运行三个C语言写的程序：Master.c在高端处理器上运行；Mult.c和Gintf.c在低端处理器上运行，分别执行操作硬件和两处理器的同步通讯功能。BowLegCMURIUSA结构：通过绳索张紧的轻质弓形腿，在机器人的腾空阶段通过电机拉动绳索存储能量，在落地的瞬间通过触发释放储存在腿部的弹性势能，实现机器人跳跃。控制：BowLeg的控制系统包括一台133MHZ的PentiumPC作为主控计算机，通过一个两通道的积分式译码卡和一个多通道、多函数功能的I/O板卡与

7、机器人相连接。通过基座两个512线的光电编码器，测量机器人XY轴向的位置，机器人与支撑杆连接处的电位计记录机器人的身体姿态角。弹性负载倒立摆模型(SLIP)zxstanceflightphasephase（1）回避了多自由度机器人系统运动的动力学耦合效应，降低了机器人运动的能力和动作的灵巧性，离仿生机器人还有一定的距离。（2）机器人的运动的产生和控制需要有功率密度很高的驱动器作保证，一般采用液压和气动的方式，限制了机器人的运动范围，大大降低了机器人的运动效率。（3）机器人的控制采用简单的PD控制方法或者离线的控制量查表方法，由于没有考

8、虑运动学的耦合和非线性时变等特性。在多状态运动和高速运动的情况下性能会变得很差，论文研究的背景：双臂单腿弹跳机器人由何广平、陆震等人提出。2005－2011（1）脱离了SLIP模型，利用机器人各个构件之间动力学耦合效应，