圓周對(duì)稱(chēng)六足機(jī)器人穩(wěn)定性檢測(cè)與單腿運(yùn)動(dòng)控制課件

1、圓周對(duì)稱(chēng)六足機(jī)器人穩(wěn)定性檢測(cè)和并聯(lián)腿運(yùn)動(dòng)控制一、 課題背景及研究?jī)?nèi)容二、 并聯(lián)腿運(yùn)動(dòng)學(xué)分析三、 圓周對(duì)稱(chēng)六足機(jī)器人穩(wěn)定性檢測(cè)四、 六足機(jī)器人單腿運(yùn)動(dòng)控制五、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證六、總結(jié)提綱課題來(lái)源973課題“救災(zāi)機(jī)器人主從控制與自律協(xié)同”（2013CB035504）研究對(duì)象六足 并聯(lián)腿式 機(jī)器人 六 足機(jī) 器 人 矩形對(duì)稱(chēng)六足機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)應(yīng)用于機(jī)器人較早，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單20世紀(jì)90年代用在機(jī)器人上；剛度大，運(yùn)動(dòng)慣性小一、課題背景及研究?jī)?nèi)容圓周對(duì)稱(chēng)六足機(jī)器人串聯(lián)結(jié)構(gòu)腿并聯(lián)結(jié)構(gòu)腿結(jié)構(gòu)組成：1）機(jī)身 2）并聯(lián)腿 3）球形足端 特點(diǎn)圓周對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，全向運(yùn)動(dòng)，避免復(fù)雜的轉(zhuǎn)彎步態(tài)；六條腿，相鄰兩條轉(zhuǎn)化為操作臂；并聯(lián)腿，承載

2、能力強(qiáng)，剛度高，運(yùn)動(dòng)慣性小球形橡膠足端，較好地面適應(yīng)能力一、課題背景及研究?jī)?nèi)容研究對(duì)象研究?jī)?nèi)容1）穩(wěn)定性檢測(cè)方法穩(wěn)定性定義：2）并聯(lián)腿運(yùn)動(dòng)控制穩(wěn)定性檢測(cè)意義： 1）不同路況；2）搬運(yùn)等作業(yè)要求；3）干擾沖擊等失去穩(wěn)定性*運(yùn)動(dòng)的發(fā)生傾覆的難易程度-傾翻穩(wěn)定性單腿運(yùn)動(dòng)控制意義：行走、操作等基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)的精確性運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性運(yùn)動(dòng)控制要求一、課題背景及研究?jī)?nèi)容實(shí)現(xiàn)軌跡調(diào)整的保障研究思路并聯(lián)腿運(yùn)動(dòng)學(xué)分析動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性檢測(cè)并聯(lián)腿運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證一、課題背景及研究?jī)?nèi)容穩(wěn)定性檢測(cè)保證運(yùn)動(dòng)精確性與平穩(wěn)性得到關(guān)節(jié)軌跡保證軌跡可達(dá)二、圓周對(duì)稱(chēng)六足機(jī)器人動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性檢測(cè)引言2.1 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性檢測(cè)的選取2.3 力角穩(wěn)定裕度檢測(cè)方法

3、的改進(jìn)2.2 力角穩(wěn)定裕度檢測(cè)方法介紹2.4 改進(jìn)的力角穩(wěn)定裕度檢測(cè)方法仿真二、圓周對(duì)稱(chēng)六足機(jī)器人動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性檢測(cè)2.1 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性檢測(cè)方法的選取動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性檢測(cè)方法分類(lèi)基于能量的方法基于零力矩點(diǎn)(ZMP)的方法基于力矩的方法基于力角的方法穩(wěn)定性檢測(cè)方法選取要求根據(jù)機(jī)器人的應(yīng)用要求和機(jī)構(gòu)特點(diǎn)選擇多足機(jī)器人不平路面行走重心高度能夠變化受操作力/力矩影響適用于不平路面對(duì)高度變化靈敏反映操作力/力矩的影響實(shí)用力角穩(wěn)定裕度穩(wěn)定性檢測(cè)方法實(shí)際傾翻合力 與 的夾角； 相鄰落足點(diǎn)構(gòu)成的傾翻軸矢量； 二、圓周對(duì)稱(chēng)六足機(jī)器人動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性檢測(cè)2.2 力角穩(wěn)定裕度檢測(cè)方法介紹力角穩(wěn)定裕度 對(duì)傾翻軸的有效力分量 對(duì)傾翻軸的

4、力等效分量歸一化最小穩(wěn)定角與重心合力大小的之積傾翻軸穩(wěn)定角簡(jiǎn)化力角穩(wěn)定性算法-提高計(jì)算效率 二、圓周對(duì)稱(chēng)六足機(jī)器人動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性檢測(cè)2.2 改進(jìn)的力角穩(wěn)定裕度檢測(cè)方法改進(jìn)方面考慮繞足端接觸點(diǎn)傾翻的情形-全面考慮傾翻情況1）算法簡(jiǎn)化原因各個(gè)穩(wěn)定角最小力角穩(wěn)定裕度值依據(jù)穩(wěn)定性結(jié)論的同一性。利用與ZMP檢測(cè)方法結(jié)論的一致ZMP靠近 的落足點(diǎn)A：足端力垂直力分量只計(jì)算 所在 的穩(wěn)定角 二、圓周對(duì)稱(chēng)六足機(jī)器人動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性檢測(cè)2.2 改進(jìn)的力角穩(wěn)定裕度檢測(cè)方法1）算法簡(jiǎn)化 注： 最大 Fiz 所在的兩個(gè)傾翻軸的穩(wěn)定角 簡(jiǎn)化后表達(dá)式仿真驗(yàn)證二、圓周對(duì)稱(chēng)六足機(jī)器人動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性檢測(cè)2.2 改進(jìn)的力角穩(wěn)定裕度檢測(cè)方法2）

5、考慮繞足端接觸點(diǎn)傾翻的情形原因提出者的未考慮圓周對(duì)稱(chēng)六足機(jī)器人存在該情況計(jì)算方法達(dá)朗貝爾定律計(jì)算傾翻合力 和力矩 對(duì)接觸點(diǎn)有效力分量 對(duì)接觸點(diǎn)的等效力效果實(shí)際傾翻合力落足點(diǎn)穩(wěn)定角綜合考慮上述兩個(gè)方面的改進(jìn)：二、圓周對(duì)稱(chēng)六足機(jī)器人動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性檢測(cè)2.3 基于IFASM的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性檢測(cè)仿真1）抬升不同的重物2）不同坡面運(yùn)動(dòng)，包括：上坡運(yùn)動(dòng)、下坡運(yùn)動(dòng)、坡面橫向運(yùn)動(dòng)3）遭受水平?jīng)_擊，包括：靜止時(shí)水平?jīng)_擊，行走時(shí)水平?jīng)_擊目的：仿真場(chǎng)景驗(yàn)證改進(jìn)的FASM檢測(cè)方法有效性，同時(shí)獲得機(jī)器人在不同環(huán)境下的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性變化規(guī)律二、圓周對(duì)稱(chēng)六足機(jī)器人動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性檢測(cè)2.3 基于IFASM的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性檢測(cè)仿真仿真結(jié)果改進(jìn)的F

6、ASM方法能夠反應(yīng)操作力/力矩，坡面斜度，以及外界沖擊作用等方面的影響，能檢測(cè)繞足點(diǎn)傾翻的穩(wěn)定性。結(jié)論三、六足機(jī)器人并聯(lián)腿運(yùn)動(dòng)學(xué)分析3.4 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型仿真驗(yàn)證引言3.1 2-UPS+UP并聯(lián)腿介紹意義3.2 并聯(lián)腿與整體自由度分析3.3 并聯(lián)腿運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立思路3.5 并聯(lián)腿工作空間計(jì)算軌跡規(guī)劃前提，運(yùn)動(dòng)控制基礎(chǔ)三、六足機(jī)器人并聯(lián)腿運(yùn)動(dòng)學(xué)分析3.1 2-UPS+UP并聯(lián)腿介紹U：虎克鉸副 P：移動(dòng)副 S：球鉸副定平臺(tái)-機(jī)身斜板；動(dòng)平臺(tái)-足端2條UPS支鏈 1條UP支鏈擺動(dòng)： 2條UPS鏈運(yùn)動(dòng) 抬升： UP鏈運(yùn)動(dòng) 并聯(lián)腿剛度大，運(yùn)動(dòng)慣性小三、六足機(jī)器人并聯(lián)腿運(yùn)動(dòng)學(xué)分析3.2 并聯(lián)腿與整體自由度分

7、析自由度分析理論依據(jù)： 修正的庫(kù)茨巴赫-克魯伯(Kutzbach-Grbler)公式單腿自由度不同支撐狀態(tài)下整體自由度確定驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)數(shù)量腿部運(yùn)動(dòng)靈活性意義：軀體靈活性支撐腿數(shù)量與自由度關(guān)系意義：三、六足機(jī)器人并聯(lián)腿運(yùn)動(dòng)學(xué)分析3.2 并聯(lián)腿與整體自由度分析結(jié)論：3個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，移動(dòng)副作為驅(qū)動(dòng)副合理能實(shí)現(xiàn)空間運(yùn)動(dòng)1）單腿自由度2）不同支撐狀態(tài)下整體自由度結(jié)論：1）整體自由度與支持腿數(shù)量無(wú)關(guān)； 2）軀體具有較好的機(jī)動(dòng)性m=6m=5m=4m=3三、六足機(jī)器人并聯(lián)腿運(yùn)動(dòng)學(xué)分析3.3 并聯(lián)腿運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立1）單腿自由度位置逆解位置正解速度雅克比矩陣采用方法： 末端位置 驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)輸出位置目的：?jiǎn)瓮冗\(yùn)動(dòng)控制奠定基

8、礎(chǔ) 坐標(biāo)空間變換 矢量法驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)位置 末端位置驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)速度 末端速度 三、六足機(jī)器人并聯(lián)腿運(yùn)動(dòng)學(xué)分析3.3 并聯(lián)腿運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立1）單腿自由度1）位置逆解2）位置正解3）速度雅克比矩陣三、六足機(jī)器人并聯(lián)腿運(yùn)動(dòng)學(xué)分析3.4 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型仿真驗(yàn)證1）單腿自由度目的：方法：利用matlab數(shù)值計(jì)算和ADAMS模型對(duì)比驗(yàn)證驗(yàn)證建立的位置逆解和速度雅克比矩陣的有效、可行三、六足機(jī)器人并聯(lián)腿運(yùn)動(dòng)學(xué)分析3.4 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型仿真驗(yàn)證1）單腿自由度仿真結(jié)果對(duì)比結(jié)論：建立的位置逆解和速度雅克比矩陣有效，可行MATALAB結(jié)果ADAMS結(jié)果位置逆解結(jié)果速度映射結(jié)果三、六足機(jī)器人并聯(lián)腿運(yùn)動(dòng)學(xué)分析3.5 并聯(lián)腿工作空間計(jì)算

9、1）單腿自由度目的方法結(jié)論：?jiǎn)瓮冗\(yùn)動(dòng)空間總體呈錐體，空間內(nèi)部具有較好的連續(xù)性X：530mm860mmy：-600mm600mmZ：-600mm600mm確保規(guī)劃的軌跡在有效工作空間內(nèi)球坐標(biāo)搜索法關(guān)節(jié)副約束條件逆運(yùn)動(dòng)學(xué)四、并聯(lián)結(jié)構(gòu)腿運(yùn)動(dòng)控制1）單腿自由度4.4 并聯(lián)腿運(yùn)動(dòng)控制仿真引言4.1 運(yùn)動(dòng)控制策略提出意義4.2 內(nèi)環(huán)位置控制器設(shè)計(jì)4.3 外環(huán)位置型阻抗控制器設(shè)計(jì)思路保證腿部運(yùn)動(dòng)、滿(mǎn)足精確性和平穩(wěn)性要求四、并聯(lián)結(jié)構(gòu)腿運(yùn)動(dòng)控制1）單腿自由度4.1 運(yùn)動(dòng)控制策略提出腿部運(yùn)動(dòng)控制要求平穩(wěn)性較好的軌跡跟蹤柔順性精確性基于SMC-NPID位置控制的阻抗控制策略外環(huán)： 基于位置的阻抗控制器內(nèi)環(huán)： 基于滑

10、模非線性PID的位置控制器滑模+非線性PID 串級(jí)設(shè)計(jì)的控制策略結(jié)構(gòu)四、并聯(lián)結(jié)構(gòu)腿運(yùn)動(dòng)控制4.1 運(yùn)動(dòng)控制策略提出基于SMC-NPID位置控制的阻抗控制策略大外環(huán)大內(nèi)環(huán)四、并聯(lián)結(jié)構(gòu)腿運(yùn)動(dòng)控制4.2 內(nèi)環(huán)位置控制器設(shè)計(jì)動(dòng)力學(xué)模型復(fù)雜提高位置運(yùn)動(dòng)精度，為阻抗控制提供位置控制基礎(chǔ)末端無(wú)法安裝傳感器采用基于關(guān)節(jié)空間的控制方法有編碼器總體上耦合性不太強(qiáng)PID控制器位置速度串級(jí)控制常見(jiàn)基于關(guān)節(jié)空間的控制方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但誤差線性組合不一定最后可以進(jìn)一步考慮利用運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的期望速度信息內(nèi)環(huán)控制器作用控制對(duì)象特點(diǎn)四、并聯(lián)結(jié)構(gòu)腿運(yùn)動(dòng)控制4.2 內(nèi)環(huán)位置控制器設(shè)計(jì)基于SMC-NPID的位置控制器設(shè)計(jì)內(nèi)環(huán)NPID控制率

11、設(shè)計(jì)外環(huán)滑?？刂坡稍O(shè)計(jì)外環(huán)滑模函數(shù)魯棒性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不基于模型，具有PID的特點(diǎn)輸出輸出四、并聯(lián)結(jié)構(gòu)腿運(yùn)動(dòng)控制4.2 內(nèi)環(huán)位置控制器設(shè)計(jì)位置控制器魯棒性對(duì)比驗(yàn)證目的PID控制器、位置速度串級(jí)控制器、基于SMC-NPID的位置控制器 三者對(duì)比方法干擾力矩：基于SMC-NPID的位置控制器對(duì)外界干擾具有較強(qiáng)的魯棒性結(jié)論結(jié)果四、并聯(lián)結(jié)構(gòu)腿運(yùn)動(dòng)控制4.3 外環(huán)位置型阻抗控制器設(shè)計(jì)基于位置的阻抗控制器設(shè)計(jì)控制原理基于力的阻抗控制基于位置的阻抗控制1）需要?jiǎng)恿W(xué)模型，算法復(fù)雜2）穩(wěn)定性偏弱3）需要有傳感器能實(shí)時(shí)檢測(cè)出足端位置1）位置控制理論更為成熟2）適合現(xiàn)有傳感器與結(jié)構(gòu)方法選取理由四、并聯(lián)結(jié)構(gòu)

12、腿運(yùn)動(dòng)控制4.4 并聯(lián)腿運(yùn)動(dòng)控制仿真目的驗(yàn)證設(shè)計(jì)的基于SMC-NPID位置控制的阻抗控制器的對(duì)保證運(yùn)動(dòng)精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)的有效性采用ADAMS與MATLAB聯(lián)合仿真給定末端軌跡方法和設(shè)置步驟2）阻抗控制仿真1）軌跡跟蹤仿真運(yùn)動(dòng)過(guò)程的精確性驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)過(guò)程的平穩(wěn)性驗(yàn)證四、并聯(lián)結(jié)構(gòu)腿運(yùn)動(dòng)控制4.4 并聯(lián)腿運(yùn)動(dòng)控制仿真仿真結(jié)果運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)誤差串級(jí)控制末端誤差PIDSMC-NPID位置控制器結(jié)論設(shè)計(jì)的控制策略有效具有較好的軌跡跟蹤性能滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)的精確性要求1）軌跡跟蹤仿真四、并聯(lián)結(jié)構(gòu)腿運(yùn)動(dòng)控制4.4 并聯(lián)腿運(yùn)動(dòng)控制仿真仿真結(jié)果結(jié)論2）阻抗控制仿真機(jī)器人足端接觸，腿前部設(shè)置12mm薄板設(shè)計(jì)的控制器能夠保證腿部運(yùn)動(dòng)的柔

13、順，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)Z方向期望力 200N五、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證1）單腿自由度5.3.1 軌跡跟蹤實(shí)驗(yàn)引言5.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹目的5.2 行走過(guò)程穩(wěn)定性檢測(cè)5.3 單腿運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)思路驗(yàn)證改進(jìn)的FASM檢測(cè)方法及提出的控制策略5.3.1 軌跡跟蹤實(shí)驗(yàn)五、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)械本體硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)5.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹五、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)論：行走過(guò)程中的穩(wěn)定性檢測(cè)方法有效。5.2 行走穩(wěn)定性檢測(cè)實(shí)驗(yàn)行走過(guò)程：三足支撐-六足支撐-另外三足支撐五、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證行走過(guò)程：三足支撐-六足支撐-另外三足支撐1） 軌跡跟蹤實(shí)驗(yàn)5.3 單腿運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)結(jié)論： 基于SMC-PID的位置控制器能夠有效實(shí)現(xiàn)軌跡跟蹤驗(yàn)證控制策略的軌跡跟蹤能力目的實(shí)

14、驗(yàn)結(jié)果五、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證2）阻抗控制實(shí)驗(yàn)5.3 單腿運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)結(jié)論： 設(shè)計(jì)的控制器能夠進(jìn)行較好的力跟蹤，保證運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)驗(yàn)證控制策略的力跟蹤能力目的實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)設(shè)置Z方向 Fd=300N薄板厚度 10mm六、總結(jié)與展望總結(jié)（2）對(duì)并聯(lián)腿運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了分析通過(guò)仿真驗(yàn)證了逆位置求解的有效性和合理性。（1）針對(duì)圓周對(duì)稱(chēng)六足機(jī)器人穩(wěn)定性檢測(cè)問(wèn)題，選用力角穩(wěn)定性檢測(cè)方法作為動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性評(píng)估方法，并在該方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了兩面改進(jìn)，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方法的有效性。（3）針對(duì)并聯(lián)腿運(yùn)動(dòng)中精確性和平穩(wěn)性要求，設(shè)計(jì)了基于SMC-NPID位置控制的阻抗控制器。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制器的有效性。展望控制器參數(shù)自整定；機(jī)器人多腿協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng) 與 重合；3.2 力角穩(wěn)定裕度檢測(cè)方法介紹平面例子：重心到落足點(diǎn)的矢量： 與 的夾角-穩(wěn)定角 在 圍成錐體內(nèi)部； 在 圍成錐體外部；最小穩(wěn)定角機(jī)器人重心處合力，不包括地面作用力力角穩(wěn)定裕度取值狀態(tài)取值狀態(tài)取值狀態(tài)穩(wěn)定臨近穩(wěn)定不穩(wěn)定三、圓周對(duì)稱(chēng)六足機(jī)器人動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性檢測(cè)CONTENT一、課題背景及研究?jī)?nèi) 容二、并聯(lián)腿運(yùn)動(dòng)學(xué)分析三、圓周對(duì)稱(chēng)六足機(jī)器 人穩(wěn)定性檢測(cè)四、 六足機(jī)器人單腿運(yùn)動(dòng)控制五、總