四足機器人穩(wěn)定行走規(guī)劃及控制技術(shù)研究.pdf

1、在地球陸地表面，有超過50％以上的面積為崎嶇不平的山丘或沼澤，僅僅依靠輪式機械無法完全實現(xiàn)在這些自然環(huán)境中的移動。因此，設(shè)計和制造一個類似動物能夠在自然環(huán)境中步行的機器，一直以來是人類追求的目標(biāo)。正是這個原因，使得仿生足式機器人的研究成為機器人研究領(lǐng)域的熱點之一。其中四足機器人由于其既有超于二足機器人的平穩(wěn)性又避免了六足機器人機構(gòu)的冗余和復(fù)雜性，在工程探險、反恐防爆、軍事偵察等具有良好的應(yīng)用前景，開展該方面的研究具有重要的實際應(yīng)用價值及

2、社會意義。
　　本課題所研究的對象為足輪混合式四足機器人，其能很好的結(jié)合輪式機器人和足式機器人的優(yōu)點，根據(jù)不同的環(huán)境變換輪式運動和足式運動兩種運動方式，達到良好的運動靈活性和較高的移動速度的統(tǒng)一。論文主要針對兩種運動形式中輪足鎖定條件下的足式運動開展研究，在運動學(xué)分析、穩(wěn)定性評價方法、步態(tài)規(guī)劃、足力控制、嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計等方面尋求實用有效的設(shè)計方法。
　　四足機器人具有時變的運動拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，論文首先針對機器人運動學(xué)特點及要求

3、，提出了串并聯(lián)結(jié)合分析的方法，分別對擺動腿及支撐腿的逆運動學(xué)進行了分析，解決了多足機器人無法建立整體運動學(xué)的問題。同時，為了準(zhǔn)確的評定足式機器人的行走穩(wěn)定性，論文采用支撐面壓力中心至各足支撐點構(gòu)成的多邊型各邊的最短距離來作為穩(wěn)定性判定準(zhǔn)則，并由此引出了重心最小穩(wěn)定距離概念及相應(yīng)的穩(wěn)定裕度評定方法，討論了干擾項、重心高度、支撐面姿態(tài)以及機器人質(zhì)量等參數(shù)與穩(wěn)定裕度的關(guān)系。
　　在四足動物步態(tài)一般性描述框架下，根據(jù)不同的步態(tài)參數(shù)取值，結(jié)

4、合機器人自身結(jié)構(gòu)特點，論文規(guī)劃了針對非平坦路面的間歇爬行步態(tài)和針對平坦路面的協(xié)調(diào)爬行步態(tài)，并對兩種步態(tài)在穩(wěn)定裕度、步行柔順性等方面進行了對比仿真分析。最后對轉(zhuǎn)彎步態(tài)和擺動足軌跡進行了規(guī)劃，為機器人步態(tài)實驗提供了理論依據(jù)。
　　針對非結(jié)構(gòu)環(huán)境，為了保持四足移動機器人軀體的預(yù)定位姿，并實現(xiàn)擺動足從自由空間到約束空間的良好過渡，本文建立了四足移動機器人的整體受力模型和虛擬懸掛模型，采用承載能力最優(yōu)的約束條件對機器人足力分配進行了優(yōu)化，提

5、出了基于足力補償?shù)臋C器人軀體位姿偏差修正算法。同時論文結(jié)合改進的基于位置的阻抗控制策略，實現(xiàn)了擺動足從擺動相到支撐相的良好過渡和期望的足力跟蹤問題。由于基于足力的機器人控制策略避免了計算復(fù)雜的多足機器人多剛體動力學(xué)，因而具有較高的實時性和可行性。
　　最后，研制了四足機器人嵌入式分級遞階多關(guān)節(jié)運動控制系統(tǒng)，針對關(guān)節(jié)負(fù)載非線性特性，嵌入式系統(tǒng)采用帶自調(diào)整權(quán)函數(shù)的模糊控制規(guī)則，實現(xiàn)了良好的關(guān)節(jié)速度跟蹤?？刂葡到y(tǒng)的集成化為足式機器人的離