四足機(jī)器人對角小跑步態(tài)虛擬模型直覺控制方法研究.pdf

1、足式機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)地形上具有比輪式和履帶式機(jī)器人更強(qiáng)的適應(yīng)能力和更高的機(jī)動性能。其中，四足機(jī)器人具有運(yùn)動穩(wěn)定和負(fù)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在背負(fù)一定負(fù)載的同時(shí)能夠快速、穩(wěn)定地通過崎嶇自然地形。四足機(jī)器人的這些特點(diǎn)使其在軍事和民用領(lǐng)域均具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值，因此受到越來越多學(xué)者和科研機(jī)構(gòu)的重視。然而，四足機(jī)器人是多輸入多輸出的非線性系統(tǒng)，且需要面向未知的非結(jié)構(gòu)環(huán)境，要實(shí)現(xiàn)完全自主平衡控制非常困難。其中，基本的行走運(yùn)動控制算法，特別是快速跑動下的動

2、態(tài)平衡控制方法，是目前四足機(jī)器人研究面臨的核心問題之一，也是制約我國四足機(jī)器人發(fā)展的瓶頸。為了給四足機(jī)器人提供簡單高效的運(yùn)動控制方法，本文針對四足機(jī)器人的對角小跑運(yùn)動進(jìn)行直覺控制研究，主要研究思路和內(nèi)容包括以下幾點(diǎn)。
　　(1)在研究四足動物常用步態(tài)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出基于觸地信號的四足機(jī)器人典型步態(tài)的規(guī)劃方法。先從四足機(jī)器人常用步態(tài)類型出發(fā)，重點(diǎn)分析爬行和對角小跑兩種典型步態(tài)的特征。然后引用 Raibert的方法來計(jì)算擺動足的期望

3、落腳點(diǎn)，并選用經(jīng)典的擺線函數(shù)來規(guī)劃足端的擺動軌跡。最后基于足端觸地信號來直覺地協(xié)調(diào)腿的運(yùn)動時(shí)序，分別規(guī)劃爬行和對角小跑步態(tài)的步態(tài)邏輯時(shí)序和判斷流程，并探討兩種步態(tài)之間的切換方法。其中規(guī)劃得到的對角小跑步態(tài)是本文開展四足機(jī)器人直覺控制研究主要采用的步態(tài)，為開展相關(guān)的仿真和試驗(yàn)研究打下基礎(chǔ)。
　　(2)基于直覺控制中的虛擬模型控制(VMC)方法，提出分解式VMC方法，并將其擴(kuò)展應(yīng)用至二維空間的四足機(jī)器人小跑運(yùn)動控制中。為了解決VMC在

4、四足機(jī)器人上的擴(kuò)展應(yīng)用問題，首先針對四足機(jī)器人在二維空間(矢狀平面)內(nèi)的對角小跑運(yùn)動進(jìn)行研究。在具體介紹VMC的原理和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析傳統(tǒng)VMC思路在四足機(jī)器人上應(yīng)用的困難，從而提出一種分解式VMC方法來單獨(dú)控制每條腿的支撐相和擺動相運(yùn)動，并分別推導(dǎo)兩種相位狀態(tài)下的VMC法則。最后建立仿真模型和控制器，結(jié)合前面規(guī)劃得到的對角小跑步態(tài)進(jìn)行運(yùn)動控制仿真試驗(yàn)與分析，以驗(yàn)證所提出方法的可行性。
　　(3)在前面得到的分解式VMC方法

5、的基礎(chǔ)上，針對四足機(jī)器人對角小跑運(yùn)動中的姿態(tài)控制和側(cè)向平衡問題，提出三維空間的全方位虛擬模型控制方法。在初步推導(dǎo)三維空間中機(jī)體平動自由度控制的分解式VMC控制法則的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析對角小跑步態(tài)中機(jī)體姿態(tài)變化的特點(diǎn)及其原因，提出利用髖部側(cè)擺關(guān)節(jié)力矩來平衡機(jī)體翻轉(zhuǎn)的姿態(tài)控制直覺方法。然后將姿態(tài)控制整合到單腿VMC法則中得到完整的支撐相VMC法則，結(jié)合擺動相的VMC法則得到完整的虛擬模型控制器。最后基于該控制器進(jìn)行三維空間平地上的對角小跑運(yùn)動

6、控制仿真，驗(yàn)證機(jī)器人的全方位控制，特別是姿態(tài)控制和側(cè)向平衡控制的有效性。
　　(4)針對四足機(jī)器人在未知斜坡地形上的自適應(yīng)控制問題，提出四個(gè)控制策略來提高機(jī)器人的地形適應(yīng)能力。為了實(shí)現(xiàn)四足機(jī)器人采用對角小跑步態(tài)來快速、高效地通過未知斜坡地形，受到自然界四足動物的直覺行為的啟發(fā)，提出四個(gè)直覺控制策略來解決四足機(jī)器人在未知斜坡地形上所遇到的困難，并將這些自適應(yīng)策略融合到所提出的VMC直覺控制法則中，最后通過運(yùn)動控制仿真試驗(yàn)來對比驗(yàn)證提

7、出的直覺控制策略的有效性。
　　(5)研制小型四足機(jī)器人樣機(jī)并進(jìn)行初步的運(yùn)動控制試驗(yàn)研究。為了采用樣機(jī)試驗(yàn)的手段進(jìn)一步驗(yàn)證本文提出的VMC直覺控制方法的有效性，研制小型電機(jī)驅(qū)動四足機(jī)器人，采用一種輕量化和模塊化的結(jié)構(gòu)進(jìn)行樣機(jī)設(shè)計(jì)，使其具有結(jié)構(gòu)簡單、裝配緊湊和關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍大等特點(diǎn)。最后利用樣機(jī)的單腿模塊搭建單腿控制試驗(yàn)平臺，并根據(jù)提出的VMC直覺控制方法編寫控制程序進(jìn)行單腿運(yùn)動控制試驗(yàn)，分別驗(yàn)證擺動相VMC和支撐相VMC的有效性。<

8、br>　　本文提出的分解式VMC直覺控制方法具有簡單的形式和較高的運(yùn)算效率，避免了復(fù)雜模型的推導(dǎo)和繁重的計(jì)算。運(yùn)動控制仿真結(jié)果表明提出的直覺控制方法可以有效控制四足機(jī)器人在對角小跑運(yùn)動中的動態(tài)平衡，并具有一定的抗沖擊干擾和未知地形適應(yīng)能力。單腿控制的初步試驗(yàn)結(jié)果也證明了采用提出的VMC方法可以有效實(shí)現(xiàn)機(jī)器人單腿的支撐相和擺動相控制。此外，本文提出的VMC直覺控制方法不受四足機(jī)器人具體結(jié)構(gòu)的限制，具有一定的通用性，為四足機(jī)器人對角小跑的動