论文研究-高负载四足机器人的步态规划与控制 .pdf

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高负载四足机器人的步态规划与控制,胡楠,黄丹,本文针对高负荷的四足机器人设计了位置控制器,实现了机器人在平坦地面上的稳定行走。本文使用的四足机器人为自主研发,该机器人
山国武技记文在 图机器人腿模型 在线计算机 计算机控制台 液压缸运动规划足尖轨迹规划 电源 伺服控制器 ③制算法卜放大器 电镀阀小液压缸 传感器 图机器人系统的控制框图 机器人的步态和足尖轨迹规划 机器人的步态选择规划 机器人的步态分为静态步态和动态步态。静态步态主要是爬行步态,这种情况下机器人 的重心投影总是落在由支撑腿组成的多边形中。动态步态包括对角,骝蹄和疾驰步态,这种 山国武技记文在 情况下重心投影不需要‘定落在由支撑腿组成的多边形中,只要维持动态平衡即可。 本文选择对角步态作为机器人的行走步态,因为对角步态是·种十分高效的步态,而且 速度范围较大,可快可慢,广泛应用于自然界中。对角步态是一种对称步态,处于对角 位置的两条腿总是同时抬起和落地。对角步态一个周期的序列图如下图所示。 为了增加机器人的稳定性,我们选择机器人的置空因子为。这种情況下,机器人存 在四个脚同时支撑的情况 solid line: support period 4 25 0.2 04 06 08 me 图机器人对角步态的时序图 机器人的足尖轨迹规划 在设计机器人的足尖轨迹的时候,需要考虑两个因素。第一是机器人的脚落地的时侯不 能造成很大冲击;第是机器人的足尖轨迹应该尽可能的和四足动物的轨迹相似。在图 ,如果我们设是机器人一个运动周期的时间,从图中我们可以看出一个脚的移动只需 要 的时间。 为了使机器人有更高的稳定性,我们设计的足尖轨迹必须满足下列条件:机器人的足尖 轨迹必须连续;当脚离地和落地的时候,脚尖的速度和加速度必须为。所以我们使用 曲线来改计脚的轨迹,它可以很好的满足我们提出的要求。设计却轨迹的方法还有很多,比 如正弦曲线和三次曲线,但这些方法都没有考虑机器人的加速度,这样在札器人脚落地的时 候可能会造成碰撞,引起机器人的不稳定 曲线由公式定义 根据公式我们可以得到一个次的曲线来定义机器人足尖在轴方向上 的轨迹如下 公式必须满足卜列条件: +△ 山国武技记文在 足尖位置 足尖速度: 足尖加速度: 其中是机器人在轴方向的初始位置,△X是机器人行走一步的步长。根据公 式我们可以计算出 设 我们可以计算出 △X ), 类似的方法,我们可以计算山机器人的足尖在轴方向的轨迹如下 十 我们假设机器人的行走路线为直线,即在轴方向位移为,我们可以得到机器人 的足尖在 轴上的位移和速度分别如下图和所示 Foot 1 Tr: XYI Foot 2 Tr]: XYZ 翼 50 500 500 1000 x(mm x(mm) 退足尖位移曲线 腿足尖位移曲线 山国武技记文在 Foot 3 Trj: XYZ Foot 4Tr]: XYZ 50囗 EE -50 5 x(mm) x(mm) 退足尖位移曲线 腿足尖位移曲线 图四足机器人足尖的位移曲线 Foot 1 Trj: vel Foot 2 Trj: Yel 4 Ann y EE> 了 -2TT0 -2 05 t(s) ts 腿足尖的速度曲线 腿足尖的速度曲线 Foot 3 Trj Foot 4 Tr Vel E00 400 40 ny 三200 EE> 2000 5 5 腿足尖的速度曲线 腿足尖的速度曲线 图机器人足尖的速度曲线 仿真和实验 仿真 为了验证我们所提出的方法的有效性,我们在动力学仿真软件 中做了仿真。 联合仿貞分为两部分,首先我们在 中建立了四足机器人的模型。然后,我们设计 了相应位置控制器米驱动机器人模型。我们在 中实现了机器人对角走的步态。我 山国武技记文在 们把杋器人对角走分为步:四脚支撑;左后腿和右前腿同吋向前摆动;左后腿和右前腿落 地;右后腿和左前腿向前摆动。图中的是 仿真视频的截图,展示了上面 的过程。 )四腿支撑 左后腿和右前腿同时向前摆动 左后腿和右前腿落地 右后腿和左前腿向前摆动 图 中对角走的仿真实验 图中的实验数据描述了四足机器人质心在垂直地面方向的位移,我们可以利用此位移 来衡量机器人的稳定性。从图中我们可以看出机器人质心的最大波动不超过,几乎可 以被忽略,所以机器人是行走中是十分平稳的 880 山国武技记文在 图机器人质心在垂直地面方向上的位移 图中的实验数据描述」∫机器人的脚和地血在轴上的力。从图中我们可以看出 这些力是稳定的,说明机器人的行走是平稳的。 200 图机器人脚和地面在 轴上的力 实验 我们将本文提出的算法在机器人平台中做了实验。实验中,我们一个体重约为的 实崄人员坐在机器人的身上,来证明我们机器人的高负载能力。实验过程中札器人行走|分 平稳,坐在机器人身上的实验人员感觉很舒适,说明我们所提岀的算法是有效的,提高了札 器人的稳定性能。我们拍摄了些实验视频,下图是视频的截图。机器人行走的速度是 寻 图实验截图 结束语 本文针对核电救灾机器人设计了位置控制器,规划了机器人的足尖轨迹,实现了机器人 的对角步态行走,仿真和实验结果验证了本文提出方法的有效性。本文的工作为进一步开展 四足机器人在复杂路况中的步态规划问题打下了基础。 参考文献 山国武技记文在 田兴华高峰陈先宝等四足仿生机器人混联腿构型设计及比较机械工程学报

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