六足仿生機器人的研制及其運動規(guī)劃研究.pdf

1、隨著人類探索自然界步伐的不斷加速，各應用領域對具有復雜環(huán)境自主移動能力機器人的需求，日趨廣泛而深入。理論上，足式機器人具有比輪式機器人更加卓越的應對復雜地形的能力，因而被給予了巨大的關注，但到目前為止，由于自適應步行控制算法匱乏等原因，足式移動方式在許多實際應用中還無法付諸實踐。另一方面，作為地球上最成功的運動生物，多足昆蟲則以其復雜精妙的肢體結構和簡易靈巧的運動控制策略，輕易地穿越了各種復雜的自然地形，甚至能在光滑的表面上倒立行走。因

2、此，將多足昆蟲的行為學研究成果，融入到步行機器人的設計與控制中，開發(fā)具有卓越移動能力的六足仿生機器人，對于足式移動機器人技術的研究與應用具有重要的理論和現(xiàn)實意義。
　　本文從仿生的角度出發(fā)，對六足步行機器人的構形設計、理論建模、運動規(guī)劃、控制系統(tǒng)設計等方面進行了深入探討，并通過實驗對其在復雜環(huán)境中的應用進行了研究。
　　系統(tǒng)設計方面，將多足昆蟲的步行結構建模為具有三自由度腿及橢圓狀肢體分布的構形；設計了舵機驅動、平行四連桿傳

3、動的具有全方位移動能力的本體結構；以腿部肢節(jié)比例、基節(jié)軸線方向為自變量，參考位姿下機器人軀干的六維運動尺度為因變量，構造靈活度目標函數(shù)對結構參數(shù)進行了優(yōu)化。設計了由上位機 PC、嵌入式主控制器、信號采集與驅動控制器組成的層次化控制系統(tǒng)硬件結構，實現(xiàn)了由步態(tài)控制、肢體控制、關節(jié)電機、傳感感知、通信模塊組成的模塊化控制系統(tǒng)軟件架構。對步行控制任務進行功能和行為組合分解，提出了基于功能行為集成的分布式步態(tài)控制結構和自由步態(tài)步行控制模式與腿部反

4、射控制模式相結合的復雜地形步行總體控制模式。
　　運動學與動力學分析方面，在多足昆蟲結構建?；A上，建立了六足仿生機器人的運動學模型，綜合運用串、并聯(lián)機構學理論，分別推導了單足擺動腿和多足支撐腿的位置、速度、加速度運動學方程。基于達朗伯原理建立六足機器人的拉格朗日動力學模型，運用運動影響系數(shù)機構學理論將系統(tǒng)受到的所有力都折算到廣義坐標上來建立力平衡方程進行動力學求解，推導出拉格朗日動力學方程；探討了驅動力矩超確定輸入問題，依據(jù)能量

5、守恒原理和運動影響系數(shù)理論，推導了所有輸入力矩的協(xié)調方程。通過仿真實驗進行了運動學正確性驗證及機器人動力學特性的仿真測試。
　　腿部軌跡規(guī)劃方面，分別針對地形平坦或輕度崎嶇以及重度崎嶇的情形，提出了輕度崎嶇地形軌跡規(guī)劃策略和重度崎嶇地形腿部反射軌跡規(guī)劃策略。對于前者，構建了統(tǒng)一的擺動相和支撐相軌跡規(guī)劃描述，提出了基于緩沖區(qū)的擺動相組合多項式曲線軌跡規(guī)劃策略，并依據(jù)相對運動原理將支撐相規(guī)劃的并聯(lián)閉鏈問題轉化為串聯(lián)開鏈問題。對于后者，

6、采用具有圓弧過渡的組合直線足端軌跡建立了抬腿和尋落反射機制的人工實現(xiàn)模型；并根據(jù)步行需要提出了單次反射、多次反射、復合反射的人工反射模式。
　　步態(tài)規(guī)劃方面，通過多足昆蟲步態(tài)分析和抽象，推導出步行速度與步態(tài)模式間的數(shù)學關聯(lián)，提出了多足步行的調速方法；提出了基于相位時鐘的腿間相序描述方法和基于腿間相序調整的自由步態(tài)形成原理。綜合考慮加速度因素的影響，提出一種基于改進能量穩(wěn)定裕度法的穩(wěn)定性判定方法，推導了六足步行穩(wěn)定裕度與步長及步行加

7、速度的數(shù)學關聯(lián)，并給出了維持靜態(tài)穩(wěn)定步行的步態(tài)參數(shù)域。依據(jù)自由步態(tài)形成原理，提出了腿間相序的調整策略和作用于相鄰腿之間的局部規(guī)則，借助分布式局部規(guī)則網絡，分別應用基于有限狀態(tài)機的狹義步態(tài)控制算法與廣義步態(tài)控制算法，實時地自適應調整錯亂的腿間相序，生成了靜態(tài)穩(wěn)定的自由步態(tài)，通過仿真實驗進行了驗證。
　　在設計搭建的六足仿生機器人步行實驗平臺上，分別實施了固化步態(tài)步行實驗、腿部反射步行實驗、自由步態(tài)步行實驗，不僅驗證了所提出的六足步行