《哈工大智能控制报告big dog四足机器人设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《哈工大智能控制报告big dog四足机器人设计（18页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2015年秋季学期研究生课程考核（读书报告、研究报告）考核科目:智 能 控 制学生所在院（系） :航 天 学 院学 生 所 在 学 科:控 制 科 学 与 工 程学生姓名:学号:1 5 S 0 0 4 0 0 1学生类别:学 术 型考核结果阅 卷 人本人签字：Big Dog 四足机器人的设计分析题目题目：假如你是“大狗”（Big Dog）控制系统项目的负责人，你将如何开展研究？请给出研究步骤和初步方案。 本文的论述过程即按照研究步骤划分，共五个环节： 1)首先规划研究任务； 2)查阅资料并了解研究背景与现状； 3)整理设计要求，根据要求提出系统的整体设计方案； 4)细化方案，根据各模块的功能与
2、配合设计出初步方案，并对其中应用到的技术分别进 行阐述； 5)分析系统的优势与不足，提出可行的创新、改进意见与未来研究工作的发展方向。一、研究任务规划：一、研究任务规划：1.首先查阅资料，了解 Big Dog 的研究现状与背景；2.了解 Big Dog 的整体结构组成，并分别研究各个部分功能分工，包括液压驱动系统，机械结构关节与执行器， 伺服控制回路与控制算法， 传感器与反馈闭环通路， 软件与导航系统等；3.大致设计各个环节对应所需的设备，清楚整个系统的工作原理与工作流程，研究系统的实现方式；4.重点研究 Big Dog 的运动控制系统及软件系统的实现方式，以传感器与反馈通道，伺服控制回路及控
3、制算法为主，详细阐述智能控制的模糊神经网络算法在本系统中的应用前景；5.比较 Big Dog 当前系统的优势与不足， 提出可行的创新、 改进意见与研究工作的发展方向。二、二、研究背景意义：研究背景意义：波士顿动力公司开发的Big Dog 四足机器人自问世之后，受到了广泛的关注，凭借卓越的性能，成为国际四足机器人领域的翘楚。Big Dog机器人最引人注目的就是它出众的运动能力，多步态行走、小跑、跳跃宽的模拟壕沟、爬越 35的斜坡，能适应山地、丛林、海滩、沼泽、冰面、雪地等复杂危险的地形。主制造商美国谷歌波士顿动力公司自2005 年起，先后推出 12 自由度 Big Dog、16 自由度 Big
4、Dog、LS3 四足，2013 年最新的带有强力机械臂的 Big Dog、 Atlas 双足双臂等机器人。 以上系列机器人虽然外形各异、功能不同，但是都是在 Big Dog 原型机基础之上所改进而成的。因此，分析 Big Dog 四足机器人的核心技术是洞穿其系列机器人设计思想的主要渠道。Big Dog 机器人最显著的优势就是能够自如行走于复杂的非结构化地形中。这也是四足超越轮式、履带式机器人的主要特性。因此 Big Dog 设计的核心思想，就是如何克服崎岖不平的未知和不可准确预测的的复杂地形，使得机器人能够安全平稳的运行， 甚至能够像生物一样流畅的，自主的并以一定的速度进行行走。为了实现这些目
5、标，Big Dog将用到地形传感器，精密计算机和电力系统，先进的执行器和动态控制等控制仪器。Big Dog 的设计者从 1986 年开始了这方面的研究，重点集中于腿部机器人在动态行走中如何保持平衡。 从试验中， 他们发现可以通过相对简单的控制方法去控制这些机器人，分为三个主要活动的控制行为：支持有垂直弹跳运动的身体，由伺服电机控制各个关节的转动以在运动中保持平衡， 使用对称原则把每个脚步放置在关键位置是机器人在运动中保持平衡。 虽然从不同机器到不同机器控制细节不同， 但它们都共享这三基本要素。而 Big Dog 是一个独立的四足机器人，既借鉴了腿部机器人实验室中的许多概念与思想，并且还解决了机
6、载电源和复杂地形控制算法的实际问题。Big Dog 四足机器人可如下简单概括：主要以四足哺乳动物结构为仿生参考，采用纯机械方法设计和制造，拥有 12 或 16 个主动自由度的腿类移动装置；以液压为驱动系统对主动自由度实施动力输出，机载运动控制系统可对机体姿态和落足地形实施检测，利用虚拟模型可测算机体重心位置等关键参数，依据智能控制的算法原则，再借助虚拟模型实施正确和安全的运动规划，根据肢体实际载荷大小动力学实施准确的规划和输出， 并根据机体状态的变化同步调整输出， 使得机器人具有对复杂地形很强的适应能力。Big Dog 具有很高的运动自主性，同时还有较高的导航智能性，独立对环境实施感知和自主规
7、划路径，很少需要人工的干预。Big Dog 属于典型的具有全自主运动能力，较强全自主导航能力的非结构化环境四足移动机器人， 是当前机器人领域较先进的一种陆地移动机器人。三、三、Big Dog 设计设计要求整理要求整理为了使本文所研制的四足仿生机器人运动平台能扩展为一个全自主移动机器人， 能在户 外复杂地形下行走，并具有一定的负载能力。因此，控制系统须完成导航、路径规划、步态 规划、关节伺服控制、各类传感器信息的采集与处理等任务，具体设计要求如下: 1.整个控制系统需装在机器人上，尺寸和重量尽可能小； 2.尽可能模块化，扩展性好，便于后续功能模块的增加； 3.实时性强； 4.具备友好的人机界面，
8、为系统的调试、监控提供方便； 5.实现导航、路径的规划； 6.单关节的伺服控制，机器人的运动是通过各关节的协调运动来实现的，单关节实时、准确 的控制是实现机器人协调运动的前提； 7.多关节的协调控制，四足仿生机器人运动是通过各关节之间的协调运动来实现，因此多关 节的协调控制直接关系到机器人步态的合理性以及运动的协调性； 8.平衡控制，保证机器人在不平整的地形能稳定运行，机器人受一定干扰力时仍然能保持稳 定状态； 9.各类传感器信息的采集与处理，要实现机器人的自主运动，须借助各类传感器来获取环境 及机器人自身的信息; 10.具有一定的容错能力，当机器人出现某些异常时，控制系统能根据需要做出一定的
9、处理。 将上述要求归类，控制系统由以下三大功能模块组成: 1.机器人宏观规划、决策模块:根据外部给定的目标任务，借助各类传感器，确定机器人的行 走路线； 2.多关节协调控制模块:将机器人的任务分解到各个关节， 通过多关节的、 协调运动来完成具 体的行走任务;3.单关节运动控制模块:通过对机器人驱动器的伺服控制，驱动关节完成运动。 这三大功能模块分别完成不同的任务，模块间相互联系，需要交换数据。整个控制系统 是一个多层次、多级别的复杂系统，单 CPU 很难胜任如此复杂的控制任务。为了实现对多 个层次的单独控制以及不同层次间的协调管理， 将控制系统分解成多个子系统， 不同层次上 用单独的控制器控制
10、，各层间通过通信来交换数据，即采用递阶分布式控制系统结构。四、四、Big Dog 系统实现与初步方案系统实现与初步方案(1)Big Dog 系统的核心技术与初步方案系统的核心技术与初步方案对 Big Dog 四足机器人的核心技术进行分析，适应复杂地形是 Big Dog 的设计主线。提高横、纵自由度联动能力是 Big Dog 结构设计主要突破点。机体重心颠簸起伏、机体重心自扰动等不良运动特性是四足机器人控制难度大的主要原因。 液压动力系统的构成和优点将被剖析， 解决腿类移动装置的驱动问题是液压系统研发的根本目的。 支撑腿打滑及俯仰和横滚角度是否过大作为监测机体运动安全状态的参数。 惯导和关节编码
11、器可检测机身与肢体的状态，借助压力传感器可还原落足点地形，三者合一可构建虚拟模型。借助虚拟模型可求算机体重心等关键控制处理中间参数， 运动控制系统可实施粗略的动作预演及精确的运动学和动力学规划。 规划模型与样机模型的偏差作为反馈值实施闭环控制。 建立以三维激光扫描仪和双目视觉为主的导航系统， 视觉地形还原功能可帮助安全跨越岩石地形， 软件系统将各种基本功能整合为有机的整体。Big Dog 系统提供了动力，驱动，传感，通信，控制等功能。动力是一个水冷二冲程内燃发动机，它可以提供 15 马力的动力。该发动机驱动一个液压泵来为机器人腿的驱动器提供高压液态油。 执行器的液压缸由两个伺服阀调节。 每个驱
12、动器都有一个传感器来感知关节位置和力量大小。每条腿有 4 个液压驱动器来提供关节的动力。车载电脑控制 Big Dog 的行为，处理传感器反馈回来的信息，并管理与远程操作者的沟通。Big Dog 大约有 50 个传感器。 惯性传感器测量身体的加速度和位置， 而关节传感器测量动作和执行器工作时在关节处的力量。车载电脑从传感器传来的信息可以估计 Big Dog 是如何运动的。车载电脑有两个级别的控制功能， 低层次的伺服控制系统控制关节的位置和转动力矩。 高层次的伺服控制器协调腿部的动作以保持一定的速度和平稳性运动。Big Dog 有各种各样的运动行为，它可站立，蹲下，走路，或者爬过障碍。爬过障碍速度
13、大约是 0.2m/s，行走是 1.6m/s，跑步是 2m/s，极限速度是 3.1m/s。Big Dog 通常由一个人通过 IP 无线通信来控制操作控制单元以此控制机器人。操作者只需指出按照何种路线前进， 而控制腿部运动和抗外部干扰措施则由车载电脑完成。 Big Dog使用平衡预估的方法控制横向和纵向的加速度， 以使其在步行中能够保持动态平衡。 当响应命令时，Big Dog 控制系统协调机器人与地面之间的作用力，控制双腿之间的负载分配，以优化其负载能力。使横跨四肢的垂直负载尽可能相等，使腿部产生直接向地面的反应力， 从而降低所需关节的力矩大小和执行器的工作。 控制系统能够通过地形测量和姿态控制来
14、适应地形的变化。该控制系统采用关节传感器的信息，以确定何时脚与地面接触，以确定每个腿和驱动器所需的负荷。身体姿态控制算法通过协调腿部与地面的接触来控制身体的位置。 该算法也可以在不平的地面中实现。这种方法可以控制车身侧倾，从而使 Big Dog 能够适应当没有地形测量传感时地形发生变化的情况。Big Dog 能够以两种方式适应地形的变化。它调整身高和姿势以符合当前地形， 调整脚步以做出对机器人的身体和地平面相对于重力方向的补偿。这使得 Big Dog 能够在除了非常陡峭的环境中任意前行。整体设计方案流程图如下：初步设计方案的流程图(2)机体机体结构与运动特性结构与运动特性Big Dog 机体结
15、构主要包括机身及 12 或 16 段肢体。机身是一个大刚体，是整个装置结构设计与装配的基准。Big Dog 结构设计的主要特点：仿造四足哺乳动物的肢体结构；拥有多个主动自由度；腿部具有较强的可伸缩性；纵向自由度数量多，利于纵向运动；横向自由度数量少，不利于横向运动；结构紧凑、布局合理；设计、加工、装配精度高；无法实现多轴性髋关节。Big Dog 首先是一套工艺精良的机械装置。 Big Dog 肢体的设计侧重于机体的纵向运动。纵、横自由度数量比为 3:1 或 2:1。纵向自由度位置更靠近地面，对地形干扰的适应能力更强；而髋部横向自由度，在最上端远离地面，灵活性较差，如下图 4.1 所示。从数量对
16、比和位置分布来看，机体纵向的运动灵活性、调整能力要明显强过横向。 Big Dog 作为移动载体，持续的纵向运动是设计的目的，而横向运动由于与纵向运动成正交关系，横向运动会增加移动距离和多次调整偏航角，所以四足机器人持续纵向运动时要尽量避免横向运动。Big Dog 各段肢体都采用销孔配合链接， 能够保证机械本体的结构精度。 Big Dog 所有肢体都属于严格的单轴性关节， 只能绕着对应转轴旋转。 每段肢体在各自液压执行器的驱动下做往复加减速旋转运动，构成了 Big Dog 肢体的基本运动常态。 Big Dog 任何情况下的运动都是由 12 或 16 段肢体的运动所拟合而成的。机体运动为支撑倒立摆运动、重心颠簸起伏、机体重心自扰动、肢体往复加减速运动构成了四足机器人的基本运动特性。 机体运动特性不良是造成四足机器人控制难度大的主要原因。四足的运动控制难度通常大于各种轮式、履带式机器人或者其它移动装置。从运动状态上来看，即使在光滑水平路面条件下， 四足也不存在任何理论意义上的匀速直线运动。机体所有质点都没有直线运动状态，而是空间不规则曲线。以常见的对角步态为例：机身在两条支撑腿的支撑
