随着多足机器人研究的不断深入,多足机器人研究领域将多足机器人的研究聚焦于四类研究方向:一类是具备大负载运输能力,且可进入轮式车辆不能到达地形的多足机器人研究;一类是具有快速、高效和全地形适应能力的多足机器人,机器人在复杂崎岖地形条件下也具有较高的适应能力;一类是基于仿生学的机械结构设计研发具备快速奔跑能力的机器人,提高多足机器人奔跑速度;一类是具备多种步态运动能力的多足机器人,特别是地面适应能力强的动态步态。上述四类机器人研究方向都涉及足式机器人最核心的共性研究——足式机器人动态步态研究,而单腿跳跃机器人只有一种步态,即动态跳跃步态,同时它结构相对简单,易于控制与操作,是进行足式机器人动态步态研究的理想平台。单腿跳跃机器人的跳跃运动与多足机器人动态步态运动的单腿运动过程一致,周期性得在空中相和着地相交替变换,涵盖跳跃步态运动中的单腿运动过程的所有事件,跳跃过程中与环境进行动态交互,发生接触、摩擦、碰撞等。本论文系统性得开展单腿跳跃机器人控制系统研究,包括单腿跳跃机器人运动学、动力学、接触模型,机器人测控系统,机器人竖直跳跃控制,柔顺着地等,通过仿真和实验两种途径对提出的控制方法和理论研究进行论证,为后续多足机器人动态步态研究提供基础研究支撑。本论文由七部分组成:第1章介绍了课题研究的背景和意义,在大量文献检索的基础上综述了国内外单腿跳跃机器人发展概况,解析了单腿跳跃机器人研究的3条路线。从伸缩腿型单腿跳跃控制、关节型单腿跳跃控制以及足式跳跃柔顺着地控制三个方面介绍了国内外单腿跳跃机器人跳跃控制研究概况,分析了国内外的相关研究热点和难点。以为多足机器人动态步态运动研究提供基础研究支撑为出发点,提出了本课题的相关研究内容,构成了液压驱动单腿跳跃机器人系统性研究的总体框架。第2章针对液压驱动单腿跳跃机器人本体设计,提出了从仿生学的两个方面对单腿跳跃机器人展开仿生学设计研究的思路,研究分析大型犬后腿的骨骼结构及关节角度为单腿跳跃机器人的连杆长度与布置提供设计依据;研究分析大型犬的跳跃步态在着地相时的关节角度变化以及足端在着地相时期所受地面反力的大小,为单腿跳跃机器人液压执行器参数设计提供依据。基于设计参数运用SolidWorks软件完成虚拟样机设计,得到质量属性参数,在Matlab/Simulink软件中实现机器人动态跳跃仿真,验证单腿机械结构和液压执行器设计参数的可行性,同时确定液压系统参数,为液压系统设计提供参考。设计的液压驱动单腿跳跃机器人包含2个主动自由度,分别为髋关节矢状面内的伸展和收缩自由度以及膝关节矢状面内的伸展和收缩自由度,单腿跳跃机器人上下腿长度为0.35 m、髋关节角度范围为[-50°,70°],膝关节角度范围为[-140°,-20°];液压缸活塞直径为0.02m、活塞杆直径为0.01m,活塞杆行程为0.1m;液压系统压力16MPa下系统平均流量为5.6×10-5 m3/s。根据设计参数最终完成液压驱动单腿跳跃机器人平台的设计,包含单腿跳跃机器人本体、液压系统以及测控系统。第3章理解并分析跳跃机理的基础上建立单腿跳跃机器人竖直跳跃的动力学模型以及机器人关节液压执行器非线性动力学模型,建立足端与环境接触的软接触模型和硬接触模型,得到两种模型下地面对足端的作用力;采用单腿足端位置过0和地面对足端作用力过0两种方法给出机器人跳跃起跳和着地条件。在Matlab/Simulink仿真软件中整合单腿跳跃机器人动力学模型、液压执行器动力学模型、足端与环境接触的接触模型以及机器人控制模块4个模块,形成单腿跳跃机器人竖直跳跃动态仿真平台。第4章基于着地相运动规划实现液压驱动单腿跳跃机器人竖直跳跃控制,扩展了单腿跳跃机器人竖直跳跃着地相运动规划方法,分析了SLIP模型、质量—弹簧—阻尼模型、质心正弦竖直跳跃并求解其动力学微分方程得到质心运动轨迹,笛卡尔空间下将单腿机器人竖直跳跃髋部的运动轨迹分别映射到SLIP模型、质心正弦运动模型质心弹跳的运动轨迹;关节空间下对机器人单腿关节基于正弦函数运动规划实现机器人竖直跳跃。空中相和着地相分别采用PID控制器和PD控制器对机器人关节运动进行跟踪控制,在单腿跳跃机器人动态跳跃仿真平台以及跳跃机器人平台上实现了机器人持续稳定的跳跃。第5章针对液压驱动单腿跳跃机器人柔顺着地,缓解液压驱动单腿跳跃机器人着地瞬间足端冲击对机器人系统及运动控制的影响,提出了2种解决方案:第1种通过设计液压驱动单腿机器人执行器单元的阻尼孔以缓节机器人足端受到着地冲击时在液压缸无杆腔形成的液压冲击,实现机器人柔顺着地的目的;第2种基于空中相关节运动规划的机器人柔顺着地控制,从机器人足端着地瞬间的动力学着手分析足式机器人柔顺着地条件,通过机器人空中相关节运动规划实现机器人柔顺着地。实验结果表明液压驱动单腿机器人执行器单元增加阻尼孔后机器人着地瞬间液压冲击缓解效果明显,相同阻尼孔直径下,机器人从同一高度无初速度自由下落,采用主动柔顺控制策略机器人足端着地瞬间足端冲击比关节位置控制策略小。基于空中相关节运动规划的机器人柔顺着地控制方法,结合第一种柔顺控制方法,液压驱动单腿机器人执行器单元含有直径为1mm的阻尼孔,单腿跳跃机器人竖直跳跃实验表明采用柔顺着地控制后机器人着地瞬间液压缸无杆腔压力从6MPa减小为5MPa,缓解压力冲击效果明显。第6章基于主动柔顺控制进行液压驱动单腿跳跃机器人跳跃控制,主动柔顺控制策略是一种典型串级控制结构,外环根据机器人的相态可采用不同的柔顺控制策略,内环采用力控制策略,包括液压力控制和负载力控制。着地相采用虚拟模型控制,从液压执行器非线性动力学模型着手分别推导得到液压力跟踪和负载力跟踪控制方式的控制指令算法;空中相采用关节位置控制策略。分别在单腿跳跃机器人仿真平台和单腿跳跃机器人平台实现液压驱动单腿跳跃机器人持续稳定的竖直跳跃控制。实验结果表明采用主动柔顺控制方式着地瞬间膝关节液压缸无杆腔压力冲击控制在较小值以内,在机器人动态跳跃的过程中实现了柔顺着地。第7章对论文进行总结与未来工作展望,并阐述了论文的创新点。