四足機(jī)器人落地過程中緩沖策略的研究.pdf

1、作為腿足式機(jī)器人的典型代表，四足機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)動控制和非結(jié)構(gòu)環(huán)境的適應(yīng)性被人們廣泛研究，并取得了很多杰出的研究成果。但是，在強(qiáng)非結(jié)構(gòu)環(huán)境中，對四足機(jī)器人的跌倒、或從高處跌落等非常規(guī)極端運(yùn)動方面的研究卻相對較少。為了更好的提高機(jī)器人在強(qiáng)非結(jié)構(gòu)環(huán)境的適應(yīng)性，本論文對四足機(jī)器人的高處跌落過程進(jìn)行研究，重點(diǎn)研究了機(jī)器人落地過程中腿足與地面接觸過程中的緩沖控制。
　　四足機(jī)器人跌落過程中，其足端會與地面發(fā)生極為激烈的交互作用，這一交互作用會對

2、機(jī)器人足、軀干和各關(guān)節(jié)產(chǎn)生極大的沖擊力或力矩，從而影響機(jī)器人運(yùn)動的穩(wěn)定性，甚至損壞機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制或傳感元件。此外，機(jī)器人與地面的交互過程持續(xù)時間極為短暫，但狀態(tài)變化極為劇烈，難以精確刻畫和控制，極大地增加了機(jī)器人穩(wěn)定控制的難度，從而降低了機(jī)器人在野外環(huán)境中的適應(yīng)性和生存能力。
　　為了提高四足機(jī)器人跌落過程中的柔順性和穩(wěn)定性，本文對四足機(jī)器人的跌落過程進(jìn)行研究，并針對這一過程提出四足機(jī)器人的落地緩沖策略，分別研究了基于阻抗

3、控制、PDSMC（Proportion Differential Sliding Model Control）控制和變剛度控制對機(jī)器人落地緩沖的控制，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人落地緩沖控制過程中的分階段控制方法。利用本文提出的方法可允許機(jī)器人從一定高度跌落，并實(shí)現(xiàn)落地過程中的穩(wěn)定性和柔順性。具體研究內(nèi)容如下:
　　1.首先分析了四足機(jī)器人的兩種腿關(guān)節(jié)配置方式，建立了基于3自由度旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的四足機(jī)器人單腿模型，基于該模型推導(dǎo)了運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)方程，為

4、后續(xù)機(jī)器人的運(yùn)動控制打下相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。
　　2.首次將PDSMC控制方法引入到腿足式機(jī)器人的運(yùn)動控制中。分析并比較了阻抗控制和PDSMC控制方法對四足機(jī)器人單腿落地的緩沖控制。通過對四足機(jī)器人單腿模型加隨機(jī)擾動的方式，基于建立的四足機(jī)器人單腿動力學(xué)模型，分析并驗(yàn)證了PDSMC具有比阻抗控制更好的抗擾動能力和魯棒性。然后，將PDSMC控制方法應(yīng)用到機(jī)器人腿部的緩沖策略中，分別利用Webots動力學(xué)仿真軟件和實(shí)際單腿物理平臺驗(yàn)證的方

5、式，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人單腿落地過程的緩沖控制。
　　3.針對四足機(jī)器人的落地過程，分別基于關(guān)節(jié)空間和笛卡爾空間研究了四足機(jī)器人整體落地的緩沖過程，利用阻抗控制和PDSMC控制，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的平穩(wěn)落地。與阻抗控制相比，計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明PDSMC控制方式展示出較好的性能，足地的交互更為柔順，彈跳較小。
　　4.提出了基于變剛度控制的四足機(jī)器人緩沖控制策略。本章對前述控制方法作出進(jìn)一步改進(jìn)，使用變剛度控制替代PDSMC，對基于關(guān)節(jié)空間

6、柔順控制的四足機(jī)器人落地緩沖策略進(jìn)行研究。該策略將機(jī)器人的整個落地過程分為多個階段，針對每個階段的特點(diǎn)和要求對機(jī)器人的關(guān)節(jié)施加不同的剛度和阻尼，實(shí)現(xiàn)了四足機(jī)器人的柔順落地緩沖控制。
　　5.針對基于關(guān)節(jié)空間無法整體控制機(jī)器人軀干位姿的局限性，研究了基于笛卡爾空間的主動變剛度控制方式。該控制方式直接在笛卡爾空間中規(guī)劃機(jī)器人的軀干位姿，并通過虛擬模型控制，將軀干質(zhì)心處需要的控制量映射到關(guān)節(jié)空間中，從而驅(qū)動機(jī)器人運(yùn)動?；诘芽柨臻g的變