六足仿生机器人单腿结构设计和其柔顺控制研究.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要随着人类对自然界探索的不断发展, 各领域对能够在复杂环境中自由移动机器人的需求日趋广泛。六足仿生机器人对地形的适应能力比较强,能够在复杂的地表高效行走,具有冗余的肢体结构,可以在失去若干肢体的情况下,继续执行一定的任务。因此,六足仿生机器人比较适合进行野外侦查、水下搜索以及太空探测等对机器人的可靠性、自主性要求较高的工作。本课题的目的是设计一种模块化的、具有力感知功能的六足仿生机器人的单腿结构,并对设计的单腿进行运动学分析和足端轨迹规划,研究足端与地面接触过程足端力的柔顺控制策略,实现腿部的柔顺控制。本文从仿生学的角度出发,对六足昆虫的腿部进行研究。分析了腿部结构和功能特点,以此为基础设计完成了六足仿生机器人的单腿结构:完成了模块化关节的设计,在高集成度的要求下有效地减小了关节尺寸;实现了集成于腿部结构的力和力矩传感器,包括足端三维力传感器和关节力矩传感器的设计;设计了集成于单腿胫节的被动柔顺机构,结合力感知功能为后文单腿的力柔顺控制奠定基础。对设计的单腿进行了运动学分析,建立了单腿的 D-H 坐标系,求出了机器人单腿的运动学正解、逆解和雅可比矩阵,为下文机器人整体运动和控制提供条件。根据六足机器人的步态特点和控制需要,进行了足端轨迹规划,并对生成的足端轨迹进行了运动学仿真。针对六足仿生机器人足端力的柔顺控制问题,分析了两种足端力的阻抗控制策略。针对本课题设计的机器人单腿,采用了基于足端位置的阻抗控制策略,并通过公式推导和控制系统仿真,分析了阻抗参数对力跟踪的影响。针对复杂环境中环境参数的不能精确得到,提出了对环境参数在线估计的阻抗控制策略,通过仿真验证了该方法可以有效的实现单腿的力柔顺。最后,通过 Adams 和 Matlab 的联合仿真,验证了阻抗控制算法的有效性。关键词: 六足机器人;模块化关节;力传感器;轨迹规划;阻抗控制- I - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 Abstract With the development of human expl oration of nature , the demand for robots which can move freely under co mplex environment has been getting broader in every area. Hexapo d biorobot have strong abil ities to adapt the terrain, and they can walk efficien tly on rough environment. They have redundancy in the legs, so they can still do some work even if losing some legs. Therefore, the hexapod biorobot is su itable for the work with high requirements of reliability and autonomy to robots such as field reconnaissance , underwater search, and space exploration, etc. In this paper, a modular single leg structure with force sensing function of the hexapod biorobot is designed, and kinematics an alysis and leg- end trajectory planning are done for the designed single leg. The co mpliance control strategy of the force applied on the leg end during the contacting pr ocess of the leg end and ground is studied, and th pliance control of the leg is realized. Firstly ,an investigation of the legs of hexapod insects is conducted in terms of bionics. The struct ure and functional characters of the leg are analyzed, based on which a single-