具有柔性軀干的四足機(jī)器人的姿態(tài)平衡控制研究.pdf

1、四足機(jī)器人在軍事作戰(zhàn)、野外探測(cè)、安全巡檢等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。近年來(lái)，脊柱在四足動(dòng)物運(yùn)動(dòng)中的作用受到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注。許多學(xué)者研究設(shè)計(jì)了多種不同結(jié)構(gòu)和功能的人工脊柱。動(dòng)物的脊柱具有較好的柔順性，能夠有效地提高機(jī)器人的移動(dòng)速度、降低能耗以及實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)。本文設(shè)計(jì)了一種具有柔性軀干的四足機(jī)器人，該軀干具有三個(gè)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)?；赯MP(zero moment point)穩(wěn)定性理論，分析討論四足機(jī)器人在剛

2、性模型、多質(zhì)點(diǎn)模型和單質(zhì)點(diǎn)模型下的ZMP的求解。
　　對(duì)角小跑步態(tài)是四足動(dòng)物最為常見(jiàn)的高速步態(tài)，本文分別討論了兩種不同的對(duì)角小跑步態(tài):常規(guī)對(duì)角小跑步態(tài)和間歇性對(duì)角小跑步態(tài)。同時(shí)，提出了一種針對(duì)對(duì)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(dòng)在這種方法的實(shí)現(xiàn)上起著關(guān)鍵作用。此方法大致可分為四個(gè)步驟，依次是建立四足機(jī)器人單質(zhì)點(diǎn)模型，規(guī)劃ZMP軌跡，基于ZMP方程獲取機(jī)體質(zhì)心軌跡，利用偏航關(guān)節(jié)的側(cè)向擺動(dòng)完成質(zhì)心規(guī)劃。本文分別對(duì)這

3、兩種對(duì)角小跑步態(tài)提出不同的姿態(tài)平衡控制策略。對(duì)于常規(guī)對(duì)角小跑步態(tài)，將點(diǎn)ZMP近似于機(jī)體質(zhì)心于地面的投影點(diǎn)，并根據(jù)點(diǎn)ZMP需時(shí)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(dòng)函數(shù)θyaw(t)=Asin(ωt+π/2)最優(yōu)解。而在間歇性對(duì)角小跑步態(tài)下，則規(guī)劃點(diǎn)ZMP落于支撐區(qū)域?qū)蔷€上，根據(jù)單質(zhì)點(diǎn)模型的ZMP微分方程推導(dǎo)機(jī)體質(zhì)心軌跡，最后由質(zhì)心位置反推偏航關(guān)節(jié)擺動(dòng)角。在步態(tài)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，利用間歇性對(duì)角小跑步態(tài)的四足支撐相解決質(zhì)心突變問(wèn)題。

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