液压驱动双足机器人运动系统设计与控制

【摘要】随着Bigdog、LS3、Petman及Altas的出现,美国波士顿动力公司在世界范围内掀起了液压驱动腿足式机器人的研究热潮。鉴于液压伺服驱动腿足式机器人具有动态性好、功率／质量比大、结构紧凑等优点和强大的野外自然地形运动能力,以及良好的军事应用背景,国内外多家研究机构先后推出了液压驱动四足仿生机器人,并获得了较好的野外运动效果。本论文针对国内仍处于空白阶段的具有负重能力的液压驱动双足机器人运动系统的机构设计、运动学分析、步态生成方法及稳定性控制等方面开展了深入的研究,主要内容如下：1.分析了传统仿人构型的双足机器人下肢机构,结合液压伺服驱动器的特点,进一步分析了液压驱动双足机器人髋关节旋转自由度和踝关节横滚自由度缺省的可行性,设计了一款具有负重能力的8-DOF经济实用型线性液压伺服油缸驱动的双足机器人运动系统,并通过ADAMS运动仿真实验分析确定了其最大允许负重量。2.基于D-H方法建立了基于躯干固定坐标系的机器人正向运动学方程,获得了各关节旋转中心的相对位置参数。在此基础上,以机器人落足时脚掌尽量贴合地面为前提条件求解机器人前向平面逆运动学方程,获得了足端运动轨迹与各关节转角的对应关系,并建立了机器人下蹲高度与最大步长之间的关系。3.采用三次多项式插值的方法生成了静步态行走时机器人足端相对于躯干固定坐标系的复合步态,实现了8-DOF经济实用型液压驱动双足机器人运动系统的静态稳定行走。4.提出了基于”LPDB”的步态生成方法,实现了机器人的侧向动态平衡；提出了基于”FDCV”的步态生成方法,实现了机器人前进方向上的匀速运动。5.基于三次多项式插值方法提出了上／下楼梯时机器人足端轨迹规划方法,指出了机器人连续上／下楼梯时足端运动轨迹所需满足的约束条件,实现了机器人连续上／下楼梯的动步态行走。6.针对具有负重能力的液压驱动腿足式机器人动态运动过程中受到的冲击力变化范围大、规律性较差等问题,提出了基于机器人躯干姿态信息的位置伺服控制方法,实现了8-DOF液压驱动双足机器人的动态稳定行走。7.通过8-DOF线性伺服液压缸驱动的双足机器人大负载条件下的ADAMS仿真实验和物理样机空载实验,验证了本文提出的步态生成方法和控制方法的正确性和有效性。本论文的创新点主要有：1.在对传统12-DOF仿人构型的双足机器人下肢机构运动分析的基础上,设计了国内第一台具有高负重能力的8-DOF经济实用型液压驱动双足机器人运动系统,其最大负重／自重比可达2.5：1,具有结构简洁、体积小、经济实用等优点。2.提出了基于”LPDB-FDCV”的双足机器人动步态生成方法,避免了基于倒立摆模型的机器人动步态运动过程中质心加速度变化不连续、地面冲击较大等问题,实现了机器人快速稳定的前进、后退、侧行、转向、上／下坡以及连续上／下楼梯等动步态运动。3.针对具有负重能力的液压驱动腿足式机器人动态运动过程中受到的冲击力变化范围大、规律性较差等问题,提出了基于机器人躯干姿态信息的位置伺服控制方法,实现了机器人的动态稳定行走。
【作者】王海燕；
【导师】李贻斌；
【作者基本信息】山东大学，模式识别与智能系统，2014，博士
【关键词】双足机器人下肢机构；液压驱动；ADAMS仿真；步态；稳定性控制；

【参考文献】
[1]王婧.论乔治·奥威尔在《一九八四》中的政治无意识[D].四川外国语大学,英语语言文学,2014,硕士.
[2]王明昌.中药泡洗加复方曲安奈德乳膏外擦法治疗肛周湿疹的临床观察[D].北京中医药大学,中医学,2014,硕士.
[3]王西文.面对油气勘探的新领域加快石油地球物理勘探技术进步——2006年《石油地球物理勘探》评述[J].石油地球物理勘探,2007,03:353-361+244+362.
[4]曾甄.迷宫堰水力特性综合研究及其应用[D].河海大学,水力学及河流动力学,2004,硕士.
[5]王文岩.应用4DCT技术研究呼吸运动对乳腺癌根治术后调强放疗的影响[D].河北医科大学,肿瘤学,2013,硕士.
[6]孙传鑫.金丝草的化学成分研究Ⅱ[D].黑龙江中医药大学,生药学,2013,硕士.
[7]尚春林.中国银行长春城区公司业务实行SBU组织结构变革研究[D].吉林大学,高级管理人员工商管理（EMBA）（专业学位）,2014,硕士.
[8]许珣.非语言交际在初级汉语课堂教学中的应用研究[D].山东师范大学,汉语国际教育（专业学位）,2013,硕士.
[9]刘婷.Fmr1敲除小鼠海马组织microRNA的差异表达及其功能研究[D].广州医科大学,神经病学,2014,硕士.
[10]黄耀东.移民、卫所与茶马[D].青海师范大学,专门史,2012,硕士.
[11]姜凯.全自动金丝球焊机中芯片图像实时定位方法研究[D].中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）,机械电子工程,2004,硕士.
[12]李冬霜.基于机器视觉的视线跟踪系统的研究[D].西北大学,电路与系统,2013,硕士.
[13]秦国双.氧化铪为过渡层生长蓝宝石红外窗口增透保护膜的研究[D].哈尔滨工业大学,材料学,2013,硕士.
[14]徐红.论生产、销售伪劣产品罪当中的“销售金额”[D].吉林大学,法律,2013,硕士.
[15]牟金进.基于手机平台的二维码物品信息管理系统的设计与实现[D].北京交通大学,2012.
[16]李张磊.野外条件下无线传感器网络定位方法研究[D].西北大学,计算机软件与理论,2014,硕士.
[17]沈波.商业智能与企业竞争优势[J].统计与决策,2005,14:155-156.
[18]茆倩.现代诚信“源”、“原”分析及其整合[D].河海大学,马克思主义理论与思想政治教育,2004,硕士.
[19]宁爱华.幼儿歌唱教学活动中教师自主支持行为的研究[D].湖南师范大学,学前教育（专业学位）,2014,硕士.
[20]孔超.合作创新项目关系风险感知过程中的团队作用研究[D].武汉理工大学,系统工程,2012,硕士.
[21]李元.黑河流域中游玉米农田生态系统土壤呼吸动态特征研究[D].山西师范大学,生态学,2014,硕士.
[22]陈群达.管理者过度自信与上市公司现金股利分配行为的实证研究[D].北京工商大学,金融学,2013,硕士.
[23]张国山.基于动态补偿的广义系统的正则化与极点配置[J].控制与决策,2006,01:51-55.
[24]来常伟,孙莹,杨洪,张雪勤,林保平.通过“点击化学”对石墨烯和氧化石墨烯进行功能化改性[J].化学学报,2013,09:1201-1224.
[25]翟芳.我国信用保险与银行保理业务合作发展研究[D].河北经贸大学,保险（专业学位）,2014,硕士.
[26]刘鹏鹏.都市村庄住宅楼梯的结构性能研究[D].郑州大学,结构工程,2013,硕士.
[27]刘楠.互联网信息管控系统的设计与实现[D].电子科技大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.
[28]王闪闪.大学生创业研究[D].北京交通大学,应用统计（专业学位）,2013,硕士.
[29]李瑞.9·11后美国对外援助评析[D].中共中央党校,国际关系,2013,硕士.
[30]王艳春.改革开放以来中国共产党抵御执政风险研究[D].中共中央党校,党的学说与党的建设,2014,博士.
[31]朱婵媛.陕西横山牛王会仪式研究[D].山西师范大学,民俗学,2014,硕士.
[32]刘伟峰,柴中,文成林.基于随机采样的多量测目标跟踪算法[J].自动化学报,2013,02:168-178.
[33]郑芳.非线性分析方法在生物医学信号处理上的应用研究[D].厦门大学,电子与通信工程,2014,硕士.
[34]方佳军.重庆市自然灾害特征及防灾减灾研究[D].重庆大学,建筑与土木工程,2003,硕士.
[35]余友谊.受损加筋板极限强度及可靠性分析[D].武汉理工大学,结构工程,2004,硕士.
[36]孔令伟,马祥君,汪洁,高海风,韩聚强.哺乳时间对女性乳房外形的影响[J].解放军医药杂志,2014,05:51-53.
[37]刘伟.物流领域CRM中数据挖掘技术的应用研究[D].大连海事大学,计算机应用技术,2004,硕士.
[38]李文杰.铝基原位柱撑蒙脱土的制备及其负载催化剂的研究[D].吉林大学,应用化学,2014,硕士.
[39]朱海龙.血流动力指标和肾素对动脉粥样硬化性肾动脉狭窄支架术疗效预测价值研究[D].中国人民解放军医学院,心血管内科,2013,硕士.
[40]李欣,陈小康,齐晶瑶.金属-石墨烯复合物吸附活化CO_2的第一性原理[J].哈尔滨工业大学学报,2014,10:58-64.
[41]马晓鑫.试论《安东尼达浪漫曲》的音乐特色与演唱技巧[D].山东师范大学,艺术（专业学位）,2013,硕士.
[42]脱惠.西安市城市家具规划设计研究[D].陕西科技大学,设计艺术学,2013,硕士.
[43]方晨.快速城市化时期温州城市空间扩展研究[D].兰州大学,城市与区域规划,2013,硕士.
[44]章涵.EPA实时可靠通信协同调度与优化研究[D].浙江大学,2010.
[45]刘本芹.GIS技术在船闸水力学中的应用研究[D].南京水利科学研究院,水力学及河流动力学,2003,硕士.
[46]周建国.防治烟草赤星病药剂筛选研究[D].湖南农业大学,植物病理学,2012,硕士.
[47]何瑜.中国葡萄酒产业竞争力研究[D].西北农林科技大学,农产品国际贸易与政策,2014,博士.
[48]侯宁.SiCp/Al复合材料二维切削条件下边缘变形及断裂特性的研究[D].沈阳理工大学,机械制造及其自动化,2013,硕士.
[49]唐姣.正面双手垫球技术程序教学法运用效果的实验研究[D].北京体育大学,体育教育训练学,2013,硕士.
[50]汪永玲.软坚护肝片的安全性评价和初步作用机制研究[D].广西医科大学,药理学,2013,硕士.