哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 foundation for further optimization and improvement. Keywords:frog-inspired hopping leg,pneumatic muscle,muscle model,position control,fuzzy control
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 III foundation for further optimization and improvement. Keywords: frog-inspired hopping leg, pneumatic muscle, muscle model, position control, fuzzy control
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 目 录 摘要 ........ ABSTRACT Ⅱ 第1章绪论 1.1课题背景… 1 1.2跳跃机器人研究现状 2 1.2.1国外研究现状 2 1.2.2国内研究现状 1.3气动人工肌肉概述 6 1.3.1气动人工肌肉控制方法概述 7 1.4主要研究内容.… .8 第2章气动人工肌肉的静态模型建立 10 2.1引言. 10 2.2气动人工肌肉的理论数学模型建立 10 2.2.1气动肌肉理想模型建立 10 2.2.2考虑端部形状的影响… .11 2.2.3考虑编织网和橡胶体之间摩擦的影响 12 2.2.4考虑编织网线之间摩擦的影响 12 2.2.5考虑橡胶体弹性和肌肉壁厚的影响 12 2.2.6改进后的气动人工肌肉数学模型 。。+ 14 2.3理论模型与实验结果的比较 14 2.4实验模型的建立 16 2.4.1实验模型的建立方法 。 16 2.4.2实验设备及步骤 17 2.4.3大肌肉实验结果和模型系数 19 2.4.4小肌肉实验结果和模型系数 24 2.5本章小结 25 第3章气动人工肌肉的位置控制策略研究 27 3.1引言… 27 3.2控制策略 27 3.2.1模糊分类器的设计 28 3.3仿真实验 30 3.3.1仿真模型的建立 30 IV
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 IV 目 录 摘 要............................................................................................................................... I ABSTRACT .....................................................................................................................II 第 1 章 绪论.................................................................................................................... 1 1.1 课题背景........................................................................................................... 1 1.2 跳跃机器人研究现状....................................................................................... 2 1.2.1 国外研究现状........................................................................................ 2 1.2.2 国内研究现状........................................................................................ 4 1.3 气动人工肌肉概述........................................................................................... 6 1.3.1 气动人工肌肉控制方法概述................................................................ 7 1.4 主要研究内容................................................................................................... 8 第 2 章 气动人工肌肉的静态模型建立...................................................................... 10 2.1 引言................................................................................................................. 10 2.2 气动人工肌肉的理论数学模型建立............................................................. 10 2.2.1 气动肌肉理想模型建立...................................................................... 10 2.2.2 考虑端部形状的影响...........................................................................11 2.2.3 考虑编织网和橡胶体之间摩擦的影响.............................................. 12 2.2.4 考虑编织网线之间摩擦的影响.......................................................... 12 2.2.5 考虑橡胶体弹性和肌肉壁厚的影响.................................................. 12 2.2.6 改进后的气动人工肌肉数学模型...................................................... 14 2.3 理论模型与实验结果的比较......................................................................... 14 2.4 实验模型的建立............................................................................................. 16 2.4.1 实验模型的建立方法.......................................................................... 16 2.4.2 实验设备及步骤.................................................................................. 17 2.4.3 大肌肉实验结果和模型系数.............................................................. 19 2.4.4 小肌肉实验结果和模型系数.............................................................. 24 2.5 本章小结......................................................................................................... 25 第 3 章 气动人工肌肉的位置控制策略研究.............................................................. 27 3.1 引言................................................................................................................. 27 3.2 控制策略......................................................................................................... 27 3.2.1 模糊分类器的设计.............................................................................. 28 3.3 仿真实验......................................................................................................... 30 3.3.1 仿真模型的建立.................................................................................. 30
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3.3.2控制策略仿真实验 32 3.4实物实验 34 3.4.1大肌肉比例控制实验 35 3.4.2大肌肉PD控制实验 36 3.4.3小肌肉PD控制实验 40 3.5本章小结 41 第4章仿青蛙跳跃腿本体改进和控制器设计 42 4.1引言..… 42 4.2仿青蛙跳跃腿的改进 42 4.2.1机械本体的改进 42 4.2.2仿真实验 43 4.2.3跳跃腿实体 44 4.3控制系统硬件设计. 45 4.3.1控制器的设计 45 4.3.2传感器和控制阀的选择 45 4.4本章小结 47 第5章控制系统软件设计和整机实验 48 5.1引言 48 5.2控制系统软件设计 48 5.2.1上位机软件设计 48 5.2.2下位机软件设计 49 5.2.2控制系统原理 49 5.3实验硬件介绍 50 5.4实验结果 50 5.4.1位姿调整实验 51 5.4.2跳跃实验 54 5.4.3跳跃实验结果分析 57 5.5本章小结 59 结论… 60 参考文献 61 攻读学位期间发表的学术论文 64 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 65 致时 66 V
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 V 3.3.2 控制策略仿真实验.............................................................................. 32 3.4 实物实验......................................................................................................... 34 3.4.1 大肌肉比例控制实验.......................................................................... 35 3.4.2 大肌肉 PID 控制实验.......................................................................... 36 3.4.3 小肌肉 PID 控制实验.......................................................................... 40 3.5 本章小结......................................................................................................... 41 第 4 章 仿青蛙跳跃腿本体改进和控制器设计.......................................................... 42 4.1 引言................................................................................................................. 42 4.2 仿青蛙跳跃腿的改进..................................................................................... 42 4.2.1 机械本体的改进.................................................................................. 42 4.2.2 仿真实验.............................................................................................. 43 4.2.3 跳跃腿实体.......................................................................................... 44 4.3 控制系统硬件设计......................................................................................... 45 4.3.1 控制器的设计...................................................................................... 45 4.3.2 传感器和控制阀的选择...................................................................... 45 4.4 本章小结......................................................................................................... 47 第 5 章 控制系统软件设计和整机实验...................................................................... 48 5.1 引言................................................................................................................. 48 5.2 控制系统软件设计......................................................................................... 48 5.2.1 上位机软件设计.................................................................................. 48 5.2.2 下位机软件设计.................................................................................. 49 5.2.2 控制系统原理...................................................................................... 49 5.3 实验硬件介绍................................................................................................. 50 5.4 实验结果.......................................................................................................... 50 5.4.1 位姿调整实验...................................................................................... 51 5.4.2 跳跃实验.............................................................................................. 54 5.4.3 跳跃实验结果分析.............................................................................. 57 5.5 本章小结......................................................................................................... 59 结 论............................................................................................................................ 60 参考文献........................................................................................................................ 61 攻读学位期间发表的学术论文.................................................................................... 64 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限.................................................... 65 致 谢............................................................................................................................ 66
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第1章绪论 1.1课题背景 当今，机器人技术发展迅速，其应用也已经进入各个领域。随着应用的不 断推广，人们对机器人提出了更高的要求。在实际应用中，不仅要求机器人能 够适应结构化和已知的环境，更要求机器人能适应非机构化和未知的环境，这 就要求机器人要突破传统的轮式或者履带式的运动方式。在各种运动方式中， 行走机器人和跳跃式机器人在越障能力方面具有绝对优势，但是行走机器人的 越障能力有限，它受到自身高度和腿部机构的限制。相比之下，跳跃机器人能 够适应复杂和存在各种障碍物的恶劣环境。 跳跃机器人的运动轨迹是一系列离散的着陆点，对不平整的地面环境有良 好的适应性。此外，跳跃机器人在越障时，可以凭借跳跃能力，越过超过自身 尺寸数倍乃至数十倍的障碍物或者沟渠，充分的展现了跳跃运动的优势山。另 外，跳跃机器人在星际探索，例如月球微重力环境下，能够实现更有效率的运 动]。除此之外，跳跃机器人还可以完成军事侦察、反恐爆破、抗险救灾、考 古探测等任务 在各个机器人研究领域中，仿生机器人一直是一个非常活跃的领域。腿式 跳跃机器人是通过仿生学原理，将机器人的设计从生物形态上或者结构功能上 转化为工程领域的样机4。仿生腿式跳跃机器人的研究以生物界中善于跳跃的 生物体为原型，例如袋鼠、跳蚤、蝗虫、青蛙等。在这些跳跃生物中，袋鼠的 跳跃属于连续跳跃，即两次跳跃之间的时间间隔很短，姿态的调整和能量的补 充都在跳跃过程中完成，这种跳跃方式的一个优势是能量的循环利用。青蛙以 及跳蚤的跳跃形式是间歇性的，即在两次跳跃之间有明显的地面调整阶段，因 此可以提高单次跳跃的水平。在众多的跳跃生物中，青蛙的跳跃能力显著，依 靠后腿发力起跳，前肢缓冲着陆，并且其具有两栖的能力，对后期的两栖机器 人的开发具有一定的意义，因而具有较大的研究价值。 目前，机器人中用到的驱动器种类很多，有传统的电机、发动机，也有液 压和气动。在一些机器人中还用生物能量和化学能量作为能量源。在这众多的 驱动形式中，气动驱动方式有着清洁，高效率，压缩性强，过载保护等优点， 很适合应用到仿生机器人的研究中。因此，对基于气动驱动的仿青蛙跳跃机器 人进行研究有着重要的意义。 本文资助来源为国家自然科学基金(51005052)“面向两栖应用的青蛙仿生 机器人运动机理研究”。 -1-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第 1 章 绪论 1.1 课题背景 当今，机器人技术发展迅速，其应用也已经进入各个领域。随着应用的不 断推广，人们对机器人提出了更高的要求。在实际应用中，不仅要求机器人能 够适应结构化和已知的环境，更要求机器人能适应非机构化和未知的环境，这 就要求机器人要突破传统的轮式或者履带式的运动方式。在各种运动方式中， 行走机器人和跳跃式机器人在越障能力方面具有绝对优势，但是行走机器人的 越障能力有限，它受到自身高度和腿部机构的限制。相比之下，跳跃机器人能 够适应复杂和存在各种障碍物的恶劣环境。 跳跃机器人的运动轨迹是一系列离散的着陆点，对不平整的地面环境有良 好的适应性。此外，跳跃机器人在越障时，可以凭借跳跃能力，越过超过自身 尺寸数倍乃至数十倍的障碍物或者沟渠，充分的展现了跳跃运动的优势[1]。另 外，跳跃机器人在星际探索，例如月球微重力环境下，能够实现更有效率的运 动[2]。除此之外，跳跃机器人还可以完成军事侦察、反恐爆破、抗险救灾、考 古探测等任务[3]。 在各个机器人研究领域中，仿生机器人一直是一个非常活跃的领域。腿式 跳跃机器人是通过仿生学原理，将机器人的设计从生物形态上或者结构功能上 转化为工程领域的样机[4]。仿生腿式跳跃机器人的研究以生物界中善于跳跃的 生物体为原型，例如袋鼠、跳蚤、蝗虫、青蛙等。在这些跳跃生物中，袋鼠的 跳跃属于连续跳跃，即两次跳跃之间的时间间隔很短，姿态的调整和能量的补 充都在跳跃过程中完成，这种跳跃方式的一个优势是能量的循环利用。青蛙以 及跳蚤的跳跃形式是间歇性的，即在两次跳跃之间有明显的地面调整阶段，因 此可以提高单次跳跃的水平。在众多的跳跃生物中，青蛙的跳跃能力显著，依 靠后腿发力起跳，前肢缓冲着陆，并且其具有两栖的能力，对后期的两栖机器 人的开发具有一定的意义，因而具有较大的研究价值。 目前，机器人中用到的驱动器种类很多，有传统的电机、发动机，也有液 压和气动。在一些机器人中还用生物能量和化学能量作为能量源。在这众多的 驱动形式中，气动驱动方式有着清洁，高效率，压缩性强，过载保护等优点， 很适合应用到仿生机器人的研究中。因此，对基于气动驱动的仿青蛙跳跃机器 人进行研究有着重要的意义。 本文资助来源为国家自然科学基金(51005052) “面向两栖应用的青蛙仿生 机器人运动机理研究
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1.2跳跃机器人研究现状 1.2.1国外研究现状 跳跃机器人的研究要追溯到MT腿实验室Raibert教授等人在上世纪八十 年代研发的单腿跳跃机器人，这是世界首个跳跃机器人。该机器人为平面跳跃 机器人，运动模型可以简化为单质量弹簧模型，运动在矢状面内，着地阶段的 运动状态和弹簧倒立摆模型相像，腿部运动由气缸驱动)。Raibert教授等人随 后又开发了仿生腿式跳跃机器人Uioo,如图1-1所示，该机器人的跳跃运 动仍旧限制在二维平面内，各关节和肢体的结构与袋鼠相似，在实验中通过4 个液压驱动器来驱动机器人的跳跃运动，其控制是通过用户发送指令与跳跃机 上的DSP控制器中的控制程序共同完成，机体上共有16个传感器，检测内部 变化，经内部计算，输出开关控制量，主要控制液压缸两端的高速液压伺服阀。 图1-2所示机器人为Raibert教授等人研制的三维跳跃机器人。该机器人由单条 腿和上身组成，腿部运动由压缩空气驱动，相对上身有2个自由度，能够在长 度方向进行收缩，在上身中安装有控制系统以及传感器。该机器人的控制原则 是将控制系统解耦为3个部分进行控制，即机器人向前速度，腿与上身夹角控 制和跳跃高度控制。该机器人能够实现灵活的跳跃运动，并且能够达到2.2m/s 的前进跳跃速度。 图1-1二维跳跃机器人Uniroo 图l-2三维跳跃机器人3DOne-Leg Hopper 卡内基梅隆大学与瑞士联邦技术学院联合研制的Bow-Leg单足跳跃机器人 以电机作为驱动器，如图1-3和图1-4所示，在跳跃过程中通过调整弓形腿的 张紧程度来驱动和控制机器人的跳跃。该机器人在起跳中形腿伸直释放能量， 驱动机器人实现跳跃，在落地过程中通过自身下落动能压缩弓形腿储存能量， 准备下一次跳跃，其控制主要由一个驱动电机实现。这种机构简单而能量利用 -2
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 1.2 跳跃机器人研究现状 1.2.1 国外研究现状 跳跃机器人的研究要追溯到 MIT 腿实验室 Raibert 教授等人在上世纪八十 年代研发的单腿跳跃机器人，这是世界首个跳跃机器人。该机器人为平面跳跃 机器人，运动模型可以简化为单质量弹簧模型，运动在矢状面内，着地阶段的 运动状态和弹簧倒立摆模型相像，腿部运动由气缸驱动[5]。Raibert 教授等人随 后又开发了仿生腿式跳跃机器人 Uniroo[6]，如图 1-1 所示，该机器人的跳跃运 动仍旧限制在二维平面内，各关节和肢体的结构与袋鼠相似，在实验中通过 4 个液压驱动器来驱动机器人的跳跃运动，其控制是通过用户发送指令与跳跃机 上的 DSP 控制器中的控制程序共同完成，机体上共有 16 个传感器，检测内部 变化，经内部计算，输出开关控制量，主要控制液压缸两端的高速液压伺服阀。 图 1-2 所示机器人为 Raibert 教授等人研制的三维跳跃机器人。该机器人由单条 腿和上身组成，腿部运动由压缩空气驱动，相对上身有 2 个自由度，能够在长 度方向进行收缩，在上身中安装有控制系统以及传感器。该机器人的控制原则 是将控制系统解耦为 3 个部分进行控制，即机器人向前速度，腿与上身夹角控 制和跳跃高度控制。该机器人能够实现灵活的跳跃运动，并且能够达到 2.2m/s 的前进跳跃速度。 图 1-1 二维跳跃机器人 Uniroo 图 1-2 三维跳跃机器人 3D One-Leg Hopper 卡内基梅隆大学与瑞士联邦技术学院联合研制的 Bow-Leg单足跳跃机器人 以电机作为驱动器，如图 1-3 和图 1-4 所示，在跳跃过程中通过调整弓形腿的 张紧程度来驱动和控制机器人的跳跃。该机器人在起跳中弓形腿伸直释放能量， 驱动机器人实现跳跃，在落地过程中通过自身下落动能压缩弓形腿储存能量， 准备下一次跳跃，其控制主要由一个驱动电机实现。这种机构简单而能量利用