基于STM32的單腿跳躍機(jī)器人控制系統(tǒng)研究

　　足式機(jī)器人以其優(yōu)越的越障能力及地形適應(yīng)能力，正逐漸成為國(guó)內(nèi)外研究的前沿方向。單腿跳躍機(jī)器人作為足式機(jī)器人的一種，是研究多足機(jī)器人的必經(jīng)之路。通過對(duì)單腿跳躍機(jī)器人的研究，可以更好地掌握仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和跳躍機(jī)理。另外，單腿跳躍機(jī)器人的動(dòng)態(tài)跳躍步態(tài)形式簡(jiǎn)單，是研究足式機(jī)器人動(dòng)態(tài)步態(tài)的理想平臺(tái)。

　　本文圍繞液壓驅(qū)動(dòng)單腿跳躍機(jī)器人的控制器設(shè)計(jì)、豎直跳躍運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)器人跳躍實(shí)驗(yàn)這三個(gè)部分展開。主要工作包括：

　?。?）提出嵌入式控制系統(tǒng)上下位機(jī)的總體架構(gòu)，采用STM32為主控芯片設(shè)計(jì)下位機(jī)硬件電路；完成包括初始化模塊、主程序模塊、中斷模塊的下位機(jī)軟件編寫；在LabVIEW開發(fā)環(huán)境下，編寫上位機(jī)界面。

　?。?）對(duì)于機(jī)器人本體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，主要是對(duì)雙關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的機(jī)器人本體進(jìn)行關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)分析。在此基礎(chǔ)上，提出機(jī)器人空中相固定姿態(tài)，著地相跟蹤規(guī)劃軌跡的跳躍方式。分別提出基于SLIP模型和關(guān)節(jié)正弦模型的兩種著地相軌跡規(guī)劃方案，通過運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解得出關(guān)節(jié)的角度變化規(guī)律。進(jìn)一步的，提出基于PID的關(guān)節(jié)角度控制策略：空中相采用PID控制器，著地相考慮柔順的需求，采用PD控制器。

　?。?）完成機(jī)器人空中相的階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)和頻率特性實(shí)驗(yàn)。通過在閉環(huán)階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)中調(diào)定PID控制器的參數(shù)，使得機(jī)器人的膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)表現(xiàn)出較好的動(dòng)態(tài)性能；通過測(cè)試機(jī)器人雙關(guān)節(jié)閉環(huán)正弦跟蹤，研究膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的頻率特性情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的截止頻率分別為6.6Hz和4.4Hz。

　?。?）在防止“兩次點(diǎn)地”及收腿和伸腿階段采用不同的比例系數(shù)的條件下，整定完著地相PD控制器參數(shù)。同時(shí)，討論控制策略切換的問題，并給出機(jī)器人著地和起跳條件。在上述研究基礎(chǔ)上，完成基于SLIP模型和關(guān)節(jié)正弦模型軌跡規(guī)劃的跳躍實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明模型的合理性。進(jìn)一步的，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析機(jī)器人跳躍過程中的一些特性，加深對(duì)機(jī)器人跳躍運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)。為了減小機(jī)器人著地沖擊，提出著地相變軌跡結(jié)合更改著地判定條件的方法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了它的有效性。最后，對(duì)本論文的研究工作進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)后面的研究工作提出一些方向。
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