基于三維簡化模型的四足機(jī)器人Trot步態(tài)運(yùn)動(dòng)控制研究.pdf

1、四足機(jī)器人以其承載能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好,而機(jī)構(gòu)的冗余和復(fù)雜程度又比較低的特點(diǎn),獲得大批機(jī)器人學(xué)者的青睞。而TROT步態(tài)屬于中等運(yùn)動(dòng)速度步態(tài),能量利用率比較高,在四足機(jī)器人中得到了廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)有的Trot動(dòng)步態(tài)的控制方法研究大多是基于平面模型開展的,因?yàn)槠矫婺Ｐ椭豢紤]機(jī)身的前進(jìn)速度、俯仰角和跳躍高度三個(gè)自由度而對(duì)其他自由度進(jìn)行約束,降低了控制方法設(shè)計(jì)的難度,易于進(jìn)行理論分析。但為了讓四足機(jī)器人能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的要求,在野外進(jìn)行全方位的運(yùn)動(dòng),

2、需要基于三維模型對(duì)機(jī)身的其他自由度也進(jìn)行控制,因此開展針對(duì)四足機(jī)器人TROT步態(tài)的三維運(yùn)動(dòng)控制方法研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　本課題來源于國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域“基于仿生技術(shù)的四足機(jī)器人研究”主題項(xiàng)目(2011AA040701),以四足機(jī)器人三維簡化模型作為研究對(duì)象,通過分析四足動(dòng)物奔跑運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特性,在由虛擬樣機(jī)和控制系統(tǒng)組成的聯(lián)合仿真平臺(tái)上,對(duì)四足機(jī)器人TROT步態(tài)三維運(yùn)動(dòng)的控制方法進(jìn)行了深入

3、研究。
　　首先,建立了四足機(jī)器人的三維簡化模型,推導(dǎo)了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程,對(duì)機(jī)身高度和地面傾角等控制時(shí)需要用到的變量作了規(guī)定并推導(dǎo)了計(jì)算公式。通過觀察動(dòng)物Trot步態(tài)下的奔跑運(yùn)動(dòng),規(guī)劃了四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),并對(duì)機(jī)器人在各個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中腿部的動(dòng)作進(jìn)行了規(guī)定。
　　其次,通過分析彈簧倒立擺模型的動(dòng)力學(xué)特性,設(shè)計(jì)了針對(duì)四足機(jī)器人Trot步態(tài)的三維運(yùn)動(dòng)控制方法,實(shí)現(xiàn)了平坦路面下的奔跑。為改進(jìn)機(jī)器人偏航運(yùn)動(dòng)的控制性能,設(shè)計(jì)了側(cè)移速度

4、補(bǔ)償策略和橫滾角調(diào)整策略。將該方法和虛擬模型控制方法相結(jié)合,使機(jī)器人既能保持生物正常奔跑時(shí)的彈簧倒立擺特性,又能在復(fù)雜路面和緊急情況下表現(xiàn)出很高的適應(yīng)性和靈活性。
　　最后,利用ADAMS和MATLAB軟件建立了由虛擬樣機(jī)和控制系統(tǒng)組成的聯(lián)合仿真平臺(tái),并在此平臺(tái)基礎(chǔ)上開展了一系列仿真實(shí)驗(yàn),包括平坦路面上的直行和轉(zhuǎn)彎仿真實(shí)驗(yàn)、過臺(tái)階和上下坡仿真實(shí)驗(yàn)以及側(cè)向抗干擾實(shí)驗(yàn)。針對(duì)各個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了分析,驗(yàn)證了控制方法的有效性,為實(shí)際機(jī)