具有柔性軀干的四足機器人的姿態(tài)平衡控制研究.pdf

1、四足機器人在軍事作戰(zhàn)、野外探測、安全巡檢等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。近年來，脊柱在四足動物運動中的作用受到了越來越廣泛的關(guān)注。許多學(xué)者研究設(shè)計了多種不同結(jié)構(gòu)和功能的人工脊柱。動物的脊柱具有較好的柔順性，能夠有效地提高機器人的移動速度、降低能耗以及實現(xiàn)穩(wěn)定的運動。本文設(shè)計了一種具有柔性軀干的四足機器人，該軀干具有三個自由度，分別為偏航關(guān)節(jié)、橫滾關(guān)節(jié)和俯仰關(guān)節(jié)。基于ZMP(zero moment point)穩(wěn)定性理論，分析討論四足機器人在剛

2、性模型、多質(zhì)點模型和單質(zhì)點模型下的ZMP的求解。
　　對角小跑步態(tài)是四足動物最為常見的高速步態(tài)，本文分別討論了兩種不同的對角小跑步態(tài):常規(guī)對角小跑步態(tài)和間歇性對角小跑步態(tài)。同時，提出了一種針對對角小跑步態(tài)基于ZMP理論的姿態(tài)平衡控制方法，脊柱的擺動在這種方法的實現(xiàn)上起著關(guān)鍵作用。此方法大致可分為四個步驟，依次是建立四足機器人單質(zhì)點模型，規(guī)劃ZMP軌跡，基于ZMP方程獲取機體質(zhì)心軌跡，利用偏航關(guān)節(jié)的側(cè)向擺動完成質(zhì)心規(guī)劃。本文分別對這

3、兩種對角小跑步態(tài)提出不同的姿態(tài)平衡控制策略。對于常規(guī)對角小跑步態(tài)，將點ZMP近似于機體質(zhì)心于地面的投影點，并根據(jù)點ZMP需時刻落于支撐區(qū)域內(nèi)這一原則，求解腰部偏航關(guān)節(jié)擺動函數(shù)θyaw(t)=Asin(ωt+π/2)最優(yōu)解。而在間歇性對角小跑步態(tài)下，則規(guī)劃點ZMP落于支撐區(qū)域?qū)蔷€上，根據(jù)單質(zhì)點模型的ZMP微分方程推導(dǎo)機體質(zhì)心軌跡，最后由質(zhì)心位置反推偏航關(guān)節(jié)擺動角。在步態(tài)實現(xiàn)過程中，利用間歇性對角小跑步態(tài)的四足支撐相解決質(zhì)心突變問題。

4、r>　　本文利用虛擬樣機仿真分析軟件ADAMS搭建四足機器人的動力學(xué)仿真模型，通過該模型對所提出的姿態(tài)平衡控制方法進行驗證。首先在常規(guī)對角小跑步態(tài)的姿態(tài)平衡控制仿真中，以周期T=0.5s，起始高度為113mm為例，通過添加偏航關(guān)節(jié)的擺動控制后，當(dāng)t=1～3s時，軌跡偏移由原先的36.97mm降為5.38mm，而機身振幅也由46.06mm降為4.32mm，降幅超過80％。其次在間歇性對角小跑步態(tài)的姿態(tài)平衡控制仿真中，以周期T=1.3s，起