论文总字数：21044字

摘 要

本文以直线位移传感器作为力的检测元件，以C8051F040单片机为核心的模/数转换模块的端口配置，实现机器人脚底力信号的采集、保存和处理，为后期的跳跃高度的提高提供数据，并且对液压系统内部的结构进行理论知识的理解，作出相应的修改。通过solidworks分析结构，对内部控制的影响同时调整部分参数以提高响应效率为调整PID奠定基础。通过对原跳跃机器人的零件进行ANSYS分析并修改尺寸，而后进行一系列的跳跃实验，对整体机器人跳跃进行数据的采集并处理，总结跳跃机器人跳跃需要哪些条件。

关键词：跳跃机器人；理论分析；改善系统；跳跃实验

The research of the method of Hydraulic joints jumping robot control

02012136 LIU Chang-qing

Supervised by LUO Xiang

Abstract: this topic research is in the laboratory on the basis of existing hy- draulic single leg joint robot physical,and increase the jumping height com- pared with the original data.While it improve the jumping height of the foot force monitoring data, energy can be received and simultaneously reduce the vibration of the leap from the energy produced in the process of converting energy leakage phenomenon.Based on the linear displacement sensor as the detecting element, C8051F040 single chip microcomputer as the core of d/a conversion module port configuration, realize the robot foot force signal acq- uisition, preservation and processing, to provide data for the improvement of the jumping height of the late,Based on the linear displacement sensor as the detecting element and C8051F040 singlechip as the core of d/a conversion module port configuration, realize the robot foot force signal acquisition, prese- rvation and processing of data for the improvement of the jumping height of the late And the interior of a hydraulic system is necessary for me to under- stand and grab the theoretical knowledge, making corresponding modification. Structure, through the analysis of the solidworks and structure we will know what impact on internal control and should adjust some parameters to imp- rove the efficiency of response to lay a good foundation for the adjustment of PID. With the ANSYS analysis telp we can carry out on the parts of the original jumping robot and modify the size and then make a series of jump test, on the whole robot jump for data acquisition and processing, we will also summarize what it takes for jumping robot jump.

目录

1.绪论 1

1.1 引言 1

1.2研究背景 1

1.3 国内外研究现状 1

1.3.1机器人的跳跃方式 1

1.3.2弹性压缩跳跃机器人 1

1.3.3仿生类型跳跃机器人 3

1.4本次研究任务与学习目标 4

2.跳跃机理的理解与分析 5

2.1 引言 5

2.2跳跃机理分析 5

2.3跳跃过程的能量转化 6

2.4优化跳跃过程与机理 6

2.4跳跃机器人结构介绍 8

2.5本章小结 8

3简化与优化液压缸跳跃机器人 8

3.1质量上的简化与优化 8

3.2零件加工工艺及组装拆解进展 11

3.2.1零件加工工艺 11

3.2.2系统拆装进展 13

3.3 蓄能弹簧参数设计优化 13

3.4摆动缸内外泄密封的优化 14

3.5本章小结 15

4.传感器系统优化 15

4.1 A/D转换原理 15

4.2 硬件及端口配置与参考电压 16

4.2.1端口配置 16

4.2.2参考电压 16

4.2.3传感器介绍 17

4.2.4电液伺服阀介绍 18

4.2.5旋转编码器简介 18

4.2.6 A/D 转换中断与数据采集系统 19

4.3本章小结 21

5.控制系统的优化 21

5.1引言 21

5.2控制系统优化 21

PID控制原理介绍 21

5.3本章小结 24

6总结与展望 24

6.1总结 24

6.2展望 25

致谢 25

液压关节跳跃机器人控制方法研究

1.绪论

1.1 引言

机器人的制造涉及到许多领域的知识与技术的发展，它的进步带动着人们生产需求与发展，逐步代替着人类进行更深层次领域的探索与革新，从人类的角度去理解机器人，不仅是四肢等外观与人类形似，更多的是能代替人类执行所期望的事情，例如移动机器人，医疗康复机器人，仿生机器人等，将来还会有更多的各式各样的机器人等待着我们开发，以目前中国对机器人的制造与革新，虽然起步较其他国家来说起步慢，但许多学术领域融入，经济科技日益进步，将为机器人制造、创新与进步注入新鲜活力，也会更多的被人们关注，从研究中与日俱进，蓬勃发展。

1.2研究背景

机器人的制造多种多样，从工业生产车间的履带式、轮式传送机器人，到步行式及仿真爬行机器人，初期机器人的制造随着人们需求的增加也逐渐在转变，可实现的功能也正在被开发与创造，相比于过往制造的机器人实现的操作范围更加广泛，甚至可以超越人类所能徒手达到极限的效率，例如穿越比较陡峭的障碍，高效的翻越崎岖不平整的路面，在较短时间内跳跃达标等，这些能力逐步被开发的同时，我们能通过机器人实现的事情也是日益倍增，不管是深层地理探查、反恐侦测，还是灾害搜救、军事戒备，甚至是进入太空、深入地底探索未知都能够轻易实现。对于机器人来说，跳跃是作为前文所述中基础的移动操作，只有当与双腿步行的运动方式相结合在一起时，能够较好的体现机器人活动的能力。

1.3 国内外研究现状

机器人的制造与创新在世界各地都有不同种类的划分，对于跳跃机器人来说连续性和间歇性跳跃机器人是通过跳跃划分出来，对于间歇性跳跃机器人，实验中不是短时间连续跳跃达到目的，而是通过第一次跳跃获取参数，掌握落脚点，为确保机器人整体的稳定性提供参数设计自身跳跃方式，在第二次跳跃前计算好姿态，确保跳跃与平衡；连续性跳跃机器人两次跳跃间短暂触地，在跳跃过程中必须保证自身平衡与重心稳定，姿态的改变与第二次落触点也在跳跃时间内计算控制。跳跃机器人根据不同的跳跃机理可以分为简单结构跳跃机器人和放生关节跳跃机器人。跳跃机器人随着人类的不断探索，其演变也从简单到精深复杂的阶段过渡，朝着多功能化、微型化、智能化发展。

1.3.1机器人的跳跃方式

作为机器人发展与制造走在前沿的国家，日本的一所工业大学的教授Matsouka研究将无质量的腿和有质量的上身与一个旋转髋关节组成数学模型研究了跳跃平衡的问题，成为跳跃机器人研究的开端

1.3.2弹性压缩跳跃机器人

1980年于美国MIT机器人实验室，Raibert建立了弹性负载倒立摆模型（SLIP，Spring Load Iventive Pendulum），而后于1983-1996年又相继研发不同支撑姿态保证平衡的三种弹性跳跃的机器人。图一中，此单腿跳跃机器人组成主要是一条金属腿（压缩空气进行控制），不同功能的传感器以及控制板。驱动金属腿主要通过压缩气体推动活塞，并分析达到控制单腿每次弹跳落地位置，从而实现一个的跳跃周期，腿部与机体间有两个自由度，机器人做类似于带弹簧的倒立摆的平面运动，对机器人的控制分为高度控制、向前速度控制和姿态控制三个独立的部分。其系统总体高度为1.1m，质量约为17.3kg，而2.2m/s是向前跳跃时可以达到的速度。

由弹簧和气缸构成支撑上部机器的弹跳双腿，具有一个平移自由度，踝关节为被动旋转关节。整个运动由四个液压缸控制，即在弹跳落地时补充拉伸弹簧的能量损耗；调整机体与腿部之间的角度；调整平衡尾与机体间的角度；调整质心位置，控制弹跳及平衡。机体上共有16个传感器，用户通过指令由机载DSP 控制器控制高速液压伺服阀，弹跳速度能高达2.3m/s。

图1-1 （Raibert的单腿、双腿和四腿跳跃机器人）

同Raibert的单腿机器人形似的弓形跳跃机器人也是通过单脚连续跳跃再短暂跳跃中达到姿态的改变、调整质心及控制弹跳的平衡，再跳跃前需先对弓形足进行蓄能，在压缩后释放过程中能量转化达到重心上升，如图1-2 Zeiglin教授1998年于美国卡耐基梅隆大学（Carnegie Mellon University）开始研制并有多次成果，分别有二维内跳跃机器人，而后研制的跳跃弓形机器人可在三维空间内跳跃，工作原理以弓形腿做压缩与释放为大旨。又例如于加拿大麦吉尔大学（McGill University）做教授的Buehler，他所研制的ARL单腿跳跃机器人也是较为成功的，有1993年研制成功的根据腿部电机驱动来带动弹簧和滚珠丝杠达到跳跃的ARL-I 和ARL-II 单腿平面机器人，作为样机机器人研制较为成功。

图1-2（Zeglin的弓形跳跃机器人及其跳跃工作机理简图）

图1-3（弓形机器人姿态及平衡控制二维图）

1.3.3仿生类型跳跃机器人

作为仿生类型跳跃机器人中最为典型的应当是当前被美国军方称之为猎豹的四足跳跃机器人（图1-4），它是由美国波士顿动力公司研究制造出来被称之为“BIG DOG”不仅能在不同环境下如履平地进行前行、急转弯以及在距离较短的刹车，其行走速度更是可达到3.1m/s包括跳跃运动在内，此机器人高度仿生为军方探测环境敌情达到了不可替代的重要作用.

图1-4（BIG DOG 猎豹机器人结构介绍以及跳跃过程记录）

图1-5（猎豹机器人奔跑状态）

类似“BIG DOG”猎豹机器人的四足跳跃机器人研制中，中国的哈尔滨工业大学也有了创新的发展，通过对青蛙跳跃的特征进行试验与生物结构的动力学剖析，王猛为首的团体做出了一份跳跃机器人样机(图1-6)，并且其跳跃机理基本上也与NASA跳跃机器人一致。

图1-6 王猛等人研制仿青蛙跳跃机器人

西北工业大学研制一双足跳跃仿生机器人，由柴辉研制通过铰链链接躯干、大腿、小腿、脚掌组成的闭环机构，长度尺寸可有丝杠调整改变，通过分析袋鼠运动及其动力学解析调整五杆尺寸比例，最终此机器人跳跃高度达到0.14m，其水平距离可跳至0.7m、

图1-7 沙漠蚱蜢仿生跳跃机器人 图1-8蚱蜢机器人跳跃过程记录

1.4本次研究任务与学习目标

此课题基于机械实验室原有液压关节跳跃机器人实物进行二次研究与探讨，主要任务包括：

1）理解、掌握跳跃机器人机制

跳跃机理的分析，机器人各结构的认识及其用途的理解，机构零件图的设计，掌握三维建模solidworks

2）简化、优化跳跃机器人

根据跳跃机理，根据其原有实物结构，简化机器人构件，根据需要添加零件，最终为使机器人能够跳跃高度更高提供物质基础。

3）控制系统与仿真

对原有的控制系统进行修改，使在原有跳跃高度下改变程序指令达到更高的高度，在matlab上进行跳跃机器人的仿真

4）实验

对跳跃机器人进行跳跃实验，检测效果，采集脚底弹簧压缩量并分析数据，反馈误差，得出结论重复进行多次实验。

5）总结

对此次的毕业设计做出一些探讨，在毕设过程中做的理想的与加工设计过程中产生的误差进行检点与反思

2.跳跃机理的理解与分析

2.1 引言

对一个系统进行装配的修改，零件的新增，控制方式的调整之前，必须对其运动的理论，零件内部的构造和其运动模式甚至阻碍和干涉有一定的了解及领会，就如此次对液压关节跳跃机器人的控制方法与研究，就应当首先对其跳跃机理进行理解，从理论上剖析跳跃所需的条件，总结前辈跳跃出现的障碍，挑选出最适合的简化机构及跳跃方案，并实地对跳跃机器人进行控制实验，而跳跃机理便是后续试验开展的重要基础。

2.2跳跃机理分析

跳跃简单来说就是下肢离开地面支撑腾空的运动，篮球跳投、跳绳、跳高等都是利用跳跃机理，通过肌肉运动将自身加速度竖直向上且地面对脚底支撑力为零使重心向上，就可称作自身解除地面约束向竖直方向移动。此节我们将通过力与速度队跳跃机器人的跳跃机理进行力学分析，假设速度和加速度竖直向上为正方向本节将从力和速度的角度分析跳跃机器人的跳跃机理，且规定竖直向上为速度和加速度的正方向。

图2-1 跳跃的力学简图

人体跳跃通过肌肉非线性的收缩，为此用弹簧代替，上图所示为双质量弹簧系统，小腿至脚掌的质量用m表示，而上部大腿质量、髋部直至头部质量用M表示，上端质量块和下端的速度和加速度分别是V、a、V、a。如图所示，用力的角度去分析其跳跃过程。初始弹簧保持着压缩状态，内部有弹性能，重心偏低，从人体下肢状态来说便是下蹲姿态，当释放弹簧后，上端质量受到向上的弹力Fs和向下的自身重力Mg。通过牛顿第二定律，上端质量块向上做初速为零的变加速度运动，而下端质量块因受到弹簧力（竖直向下）与地面支撑力（竖直向上）而保持静止，所以总体而言，系统所受重力小于地面对系统的支撑力使系统开始呈现向上运动的趋势此时agt;0（系统加速度）。系统开始上升，支撑力开始减小直到F=Mg此时上端质量块的合力为零，加速度也为0，上端质量块继续上升，结束第四跳跃简图。第五个时刻跳跃简图中弹簧开始反向收缩，下端质量块的支撑力开始小于重力，一部分的重力被收缩的弹簧力给抵消了，同时上端质量块由于弹簧的收缩产生的竖直向下的弹簧力而开始减小加速度的大小，达到竖直向上的变减速运动，下不质量块开始了力的变化，从F=Mg到Flt;Mg最终临界状态F=0达到失去地面支撑力支撑而系统的加速度仍然不为零方向竖直向上，即到了图示最终阶段。腾空状态期间Vgt;V,收缩回去的弹簧再次拉伸，进一步让上端质量块减速，系统加速度仍是-g。所以让系统能够跳跃离地达到腾空的目的，条件有a =-g以及系统V竖直向上。

也就是说上部质量在一定比例上大于下步m质量，当M跳跃带动m离地时，不因为m质量过大而在非线性弹簧拉伸时对M的拉力要远大于m的拉力，这样一来M所需用于跳跃上升的能量诸多都消耗在对m的竖直向上的拉力，从而加快的较小了竖直向上的系统加速度的大小，使系统更快的较小竖直向上的速度。

从系统能量的角度去阐述，就比较直白。从初始时刻静止状态，弹簧内的弹性势能就已经存在，在开始运动后，能量往两边挤压是上端质量块产生速度同时改变重心高度，这就可以认为弹性势能经弹簧的拉伸转移到上端质量块中使其内动能增加、重力势能增加，对于系统而言系统重心向上，在达到腾空状态后也在动能、势能之间相互转换，较为复杂。

2.3跳跃过程的能量转化

从能量转化的角度分析机器人跳跃机理可知，机器人能量的流动主要包括：

1.蹬地过程前半段，外界对机器人做的功（膝关节力矩与脚底力做功），转化为机器人各集中质量动能和势能，从跳跃机器人上来说，外界做的功集中在液压站提供的液压力所做的初始功能，并通过液压能转变成势能与弹性势能；

2.蹬地过程后半段，机器人髋部动能一部分转化为膝关节及小腿的动能和势能，另一部分转化为髋部自身势能，外界做的功主要维持机器人姿态，转化为一定量的机器人动能和势能；

3.离地阶段，膝关节力矩主要做负功以维持机器人腾空阶段姿态，机器人各集中质量动能转化为自身势能和补偿膝关节力矩所做的负功能量从弹性势能转化到动能与重力势能相互之间的变化过程。

2.4优化跳跃过程与机理

通过上述分析能掌握跳跃机器人跳跃从最初速度为0开始便已经有弹簧势能在内，通过弹簧势能才能在后续的力学上达到最终的跳跃腾空解除地面对自身的约束，然而当跳跃机器人未跳跃前弹簧并未如上述般收缩，而仍是以原自由长度状态尺寸3 mm * 30 mm * 60 mm （共5圈）支撑着优化前的跳跃机器人（共重5.76kg）静止状态下稳定，如图所示，如此在通过控制液压缸跳跃过程中，液压力作用通过小腿将力分散到将弹性足受力收缩产生弹性势能而不能将力全部放在膝部弯曲达到腾空跳跃的效果，效率转化低也将是导致实验不成功的原因之一。

为了提高原液压缸跳跃机器人的跳跃高度，必须保证在跳跃之前弹簧的压缩是必不可少的，而不单单只靠跳跃机器人本身重量具有的惯性来实现腾空应具备的两个条件，因此，在原跳跃机理的基础上，我们将初始情况设置在弹簧为自由长度状态下分析，且分析的情况与上述双质量弹簧系统有些区别。

图2-2 单质量弹簧系统力分析简图

图2-2为但质量弹簧系统，对前面阐述的小质量块表示小腿往下到脚掌的总质量m，此次我们将m归于原上质量块质量中，总体质量M为现分析上质量块，简言之便是弹簧一下质量相比总体质量可以忽略不计如图2-3所示，弹簧下部为直径34mm的半圆刚性塑料支撑件，与地面产生接触作用。

图2-3 跳跃机器人建模图

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