液压驱动双足机器人关键技术研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:daney_he
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双足机器人对地形的适应能力强,也是腿式机器人中,能够稳定站立行走所需最少腿数的机器人。双足机器人跟人类的下肢具有相似性,因而可以通过对人类下肢运动的观察和测量中,直接或者间接的获取数据,用于统计和分析,并从中获得启发,用于进一步研究双足机器人的行走。人类社会经过长期的发展,人类所生存的环境已经高度以人为中心,基础设施、楼宇等都是围绕着人类活动的方便而设计,因而外形上类人的机器人不仅可以很好的适应和融入人类社会,为人类服务,而且外形上更具有亲和性。当前双足机器人绝大多数都采用电机驱动,电机驱动方式已经被大量实践证明具有一些难以克服的劣势,比如功率密度低,抗电磁干扰能力弱,不适宜野外环境工作等。为了提高机器人关节的力矩,需要增加电机功率,然而选用大功率电机之后,关节自身的重量也随之增加,反而显得更加笨重。因此电机驱动的机器人往往动态响应能力较差,行走速度慢。液压驱动的双足机器人已经被美国波士顿动力公司的PetMan和BigDog的优良的稳定性和高动态性能证明可以使现有腿式机器人技术跨上一个新台阶。之所以能开发性能如此优异的机器人,利用了液压驱动输出力大,功率密度大,刚度高,响应快的优势是重要原因之一。本课题设计了一款液压驱动的双足机器人,在机械结构、控制系统及液压伺服系统三大方面进行了关键技术研究。该机器人具有12个自由度,可以完成前行、侧行和转弯等运动。机械结构上,参照人体骨骼结构进行了仿人尺寸和外形的设计,分配了关节自由度,并设计了能满足驱动能力和运动范围的自由度驱动方式。采用了嵌入式计算机作为控制系统,给出了集总式和分布式两种控制系统方案,实现并验证了集总式控制系统的可靠性。在嵌入式计算机上安装了QNX嵌入式实时操作系统,并开发了多线程实时应用程序,用于液压伺服控制和高级控制策略计算。根据机器人模型仿真估算了所需液压油源的流量和压力,设计了小型液压伺服驱动器。基于倒立摆的模型对机器人稳定行走进行了步态规划,并且通过仿真验证了规划的可行性。最后通过实验验证了机器人多关节协调实验等功能,验证了样机的性能,为未来进一步开发打下基础。
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