四足機器人運動規(guī)劃及協(xié)調(diào)控制.pdf

1、四足機器人相比雙足機器人而言具有穩(wěn)定性好和負載能力大的優(yōu)點，與多足機器人相比則具有控制簡單、冗余結(jié)構(gòu)少的特點，因此四足機器人成為當(dāng)前機器人研究領(lǐng)域的熱點。當(dāng)前的四足機器人研究主要涉及機器人的控制模式，主要可以分為三類：基于模型、基于行為和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CPG）的三種。而實際上研究四足機器人主要來源于對四足動物的仿生，包括對四足動物的結(jié)構(gòu)仿生、步態(tài)仿生和控制系統(tǒng)仿生，因此有必要在研究四足機器人的控制模式的基礎(chǔ)上更進一步，即利用對四足動物的

2、仿生學(xué)研究內(nèi)容改進四足機器人。四足機器人的發(fā)展方向可以概括為快速通過性、非結(jié)構(gòu)化地形適應(yīng)性和高負載，為實現(xiàn)以上特點，本文主要實現(xiàn)了四足機器人的步態(tài)仿生、控制系統(tǒng)仿生、時位控制方法設(shè)計、基于事件驅(qū)動的步態(tài)控制方法設(shè)計和冗余自由度的步態(tài)優(yōu)化。上述研究內(nèi)容主要解決四足機器人的運動規(guī)劃和協(xié)調(diào)控制問題，運動規(guī)劃包括：擺動腿軌跡規(guī)劃、不同地形下不同步態(tài)的規(guī)劃和冗余自由度的步態(tài)優(yōu)化解算；協(xié)調(diào)控制包括：協(xié)調(diào)四足機器人本體與單腿、協(xié)調(diào)單腿與單關(guān)節(jié)和協(xié)調(diào)四

3、足機器人與不同地形。本研究主要內(nèi)容包括：
　　⑴步態(tài)仿生主要以現(xiàn)有的四足動物步態(tài)的仿生學(xué)研究成果為基礎(chǔ)，設(shè)計四足機器人的步態(tài)時序。其中與經(jīng)典的步態(tài)設(shè)計不同的地方就是加入了四足支撐期，Trot步態(tài)和Walk步態(tài)都加入了四足支撐期，其優(yōu)點主要在于：提高了四足機器人的穩(wěn)定性；為非結(jié)構(gòu)化地形的控制方法設(shè)計提供了步態(tài)基礎(chǔ)，是非結(jié)構(gòu)化地形的控制方法設(shè)計的核心。另外在擺動腿的規(guī)劃上也引入了仿生學(xué)的研究內(nèi)容，增加規(guī)劃的合理性，并通過理論推導(dǎo)證明，

4、擺動腿規(guī)劃主要是為了具備越障能力、減小對關(guān)節(jié)最大速度和關(guān)節(jié)運動范圍的要求。
　　⑵控制系統(tǒng)仿生主要以四足動物的神經(jīng)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，將四足機器人的控制系統(tǒng)分成三層：全局規(guī)劃層、中層步態(tài)規(guī)劃層和底層執(zhí)行層，對應(yīng)于四足動物的大腦、中層反射層（產(chǎn)生 CPG節(jié)律信號）和底層反射層（肌肉）?？刂葡到y(tǒng)分層的意義在于簡化控制結(jié)構(gòu)、明確控制任務(wù)、提高控制實時性和易于軟硬件實現(xiàn)。同時控制系統(tǒng)的設(shè)計也參照了智能控制的三層結(jié)構(gòu)體系，即隨著控制層級的降低智能程

5、度下降但是控制精度提升，將不同層級的控制任務(wù)明確劃分，可以有效提高控制效能。
　?、菚r位控制方法設(shè)計主要實現(xiàn)步態(tài)控制和姿態(tài)控制，實際上對應(yīng)于中層步態(tài)規(guī)劃層和底層執(zhí)行層，步態(tài)規(guī)劃層主要利用簡化的動力學(xué)方程給出質(zhì)心的軌跡和速度，質(zhì)心的軌跡規(guī)劃經(jīng)過解算可以變成關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃，在姿態(tài)控制層中主要是實現(xiàn)對關(guān)節(jié)軌跡的跟蹤，本文中假設(shè)四足機器人姿態(tài)為理想情況，不涉及本體姿態(tài)的調(diào)整。由于四足機器人單腿的前向存在冗余自由度，因此在關(guān)節(jié)軌跡的解算過程中

6、引入了冗余自由度的步態(tài)優(yōu)化方法，并給出評價函數(shù)。
　　⑷基于事件驅(qū)動的控制方法設(shè)計是在時位控制方法上面擴展得到的，加入了環(huán)境傳感器和凸退凹補的步態(tài)策略。核心在于實現(xiàn)了單腿的凸退凹補的地形適應(yīng)特性，通過該特性快速處理不同的凹凸地形，最大限度減小其對本體姿態(tài)的影響。而且四足支撐期的引入可以使得四足機器人可以不改變步態(tài)周期和步態(tài)時序，并適應(yīng)不同的凹凸地形，使得控制系統(tǒng)具有廣泛的適應(yīng)性。
　?、赏ㄟ^仿真和實驗證明前述設(shè)計的合理性，利

7、用RecurDyn動力學(xué)仿真軟件驗證了Trot步態(tài)的可實現(xiàn)性，同時在實際實驗中完成了多種步態(tài)的測試和基于事件驅(qū)動的單腿適應(yīng)性實驗。這些實驗中包括平地Trot步態(tài)、平地Walk步態(tài)、靜止轉(zhuǎn)彎步態(tài)、坡面靜止轉(zhuǎn)彎步態(tài)、行進間Trot轉(zhuǎn)彎步態(tài)、Walk步態(tài)坡面行走、Walk步態(tài)越障和草地Walk步態(tài)。上述實驗驗證了本文所述方法的可實現(xiàn)性，同時實驗過程中均帶有50kg左右的負載，Trot行進時最大速度達到3.2km/h，也說明了機器人能夠承載較大