仿生四足-輪復(fù)合移動機(jī)構(gòu)設(shè)計與多運(yùn)動模式步態(tài)規(guī)劃研究.pdf

1、隨著地形環(huán)境變得復(fù)雜且具備多重特征，傳統(tǒng)的輪式和履帶式移動機(jī)構(gòu)在平坦地形上表現(xiàn)出較好的移動性能，但難以適應(yīng)崎嶇不平的復(fù)雜地形。相比于輪式和履帶式移動機(jī)構(gòu)，腿式移動機(jī)構(gòu)具有較強(qiáng)的靈活性和地形適應(yīng)能力，但是其移動速度慢和能量效率低。為了提高移動機(jī)構(gòu)的地形適應(yīng)能力和機(jī)動性，腿-輪復(fù)合移動機(jī)構(gòu)成為地面移動機(jī)構(gòu)的一個重要研究趨勢。
　　本文在總結(jié)和分析了國內(nèi)外腿-輪復(fù)合移動機(jī)構(gòu)研究成果的基礎(chǔ)上，通過對比爬行類與哺乳類仿生足式移動機(jī)構(gòu)的特點，

2、提出了一種新型仿生哺乳類四足-輪式復(fù)合移動平臺?；谒淖悴溉閯游锏慕Y(jié)構(gòu)特性研究，四足機(jī)器人的四條模塊化腿采用伺服電機(jī)-滾珠絲桿驅(qū)動裝置，外肘配置型式。腿的配置形式使得兩輪差動輪式機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)體腹部，避免了足與輪運(yùn)動空間的干涉。該新型復(fù)合移動機(jī)構(gòu)具有多種運(yùn)動模式:在崎嶇不平地形上的四足行走模式、平坦地面上差動輪式滾動模式以及復(fù)雜地形環(huán)境下的四足-輪復(fù)合協(xié)調(diào)跨越模式，以適應(yīng)不同地形條件下的任務(wù)需求。
　　本文研究了基于位置的逆運(yùn)動學(xué)控

3、制以及四足行走步態(tài)規(guī)劃與穩(wěn)定性分析。首先，基于D-H法則建立了四足移動機(jī)構(gòu)單腿的運(yùn)動學(xué)模型、單腿關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)變量的正逆運(yùn)動學(xué)解、單腿關(guān)節(jié)空間與驅(qū)動空間的映射關(guān)系。其次，修改標(biāo)準(zhǔn)波浪步態(tài)(wave gait)的模型約束條件:機(jī)體僅存在橫向方向上的運(yùn)動和有質(zhì)量腿的運(yùn)動不引起的機(jī)體重心位置變化。通過引入新的步態(tài)參數(shù):機(jī)體的側(cè)向位移及重心偏移量，建立新的靜態(tài)步態(tài)規(guī)劃模型。提出了一種新型靜態(tài)定性步態(tài)并進(jìn)行了穩(wěn)定性分析并將其用于四足行走模式的控制。闡明

4、了新的步態(tài)參數(shù)側(cè)向位移可提高四足移動平臺在復(fù)雜地形上的運(yùn)動穩(wěn)定性。結(jié)合機(jī)體上不對稱負(fù)載和有質(zhì)量腿的運(yùn)動，說明了重心偏移量對傳統(tǒng)步態(tài)穩(wěn)定裕度的影響。通過分析穩(wěn)定裕度損失補(bǔ)償量修改了新型靜態(tài)步態(tài)的穩(wěn)定裕度表達(dá)式，用于實際四足機(jī)器人的靜態(tài)穩(wěn)定運(yùn)動規(guī)劃與控制。
　　針對四足靜態(tài)行走模式能量利用效率低的問題，本文采用了步態(tài)參數(shù)優(yōu)化的方法降低機(jī)器人行走總功耗。首先，考慮腿的結(jié)構(gòu)特性、質(zhì)量分布以及轉(zhuǎn)動慣量等因素，利用第二類拉格朗日-歐拉方法建立

5、了單腿的動力學(xué)方程。其次，在運(yùn)動學(xué)分析的基礎(chǔ)上，考慮了腿部動力學(xué)特性、準(zhǔn)靜力學(xué)平衡、足端摩擦錐約束條件，以關(guān)節(jié)力矩分配為基準(zhǔn)建立四足移動機(jī)構(gòu)周期性靜態(tài)步態(tài)內(nèi)消耗的總功率模型。同時，以移動功率作為評估標(biāo)準(zhǔn)分析不同步態(tài)參數(shù)下系統(tǒng)的能量效率，仿真分析了新型靜態(tài)步態(tài)參數(shù)側(cè)向位移在一定的取值條件下可減小機(jī)器人系統(tǒng)的能耗，并在樣機(jī)平臺上展開實驗加以驗證。
　　研究了基于行為反應(yīng)式的多運(yùn)動模式步態(tài)規(guī)劃與分析，采用不同的運(yùn)動模式以適應(yīng)不同的環(huán)境特

6、征的策略。首先，在考慮足端工作空間的約束，基于靜態(tài)步行穩(wěn)定性判據(jù)準(zhǔn)則，研究了足式行走模式和輪式滾動模式之間的相互切換機(jī)制和靜態(tài)穩(wěn)定性轉(zhuǎn)換步態(tài)。分析了每條腿抬放時刻的縱向穩(wěn)定裕度，為整個轉(zhuǎn)換運(yùn)動過程的穩(wěn)定性奠定了理論基礎(chǔ)。其次，在已知垂直障礙物和鴻溝尺寸、復(fù)合移動機(jī)構(gòu)模型基礎(chǔ)上研究了四足-輪復(fù)合跨越模式，設(shè)計了兩種基于靜態(tài)穩(wěn)定性判據(jù)的越障步態(tài)和支撐腿-輪全穩(wěn)定跨越步態(tài)。針對爬越障礙物的準(zhǔn)靜態(tài)行走階段，基于規(guī)劃的翻越動作次序，推導(dǎo)了每一動作

7、時刻的穩(wěn)定裕度。最后，通過引入雅可比矩陣，建立腿足端和主動輪之間的位置、速度和加速度之間的運(yùn)動學(xué)關(guān)系，為實現(xiàn)足-輪復(fù)合移動模式的運(yùn)動步態(tài)規(guī)劃與控制提供了理論基礎(chǔ)。
　　最后，搭建了第一代仿生哺乳類四足-輪復(fù)合移動機(jī)構(gòu)的實驗樣機(jī)，進(jìn)行了輪式快速行進(jìn)，負(fù)載靜態(tài)步行，輪式與足式運(yùn)動模式之間的相互轉(zhuǎn)換運(yùn)動，攀越高的垂直障礙物以及大跨距鴻溝等諸多實驗，實驗結(jié)果表明了所設(shè)計的哺乳類足-輪復(fù)合移動機(jī)構(gòu)設(shè)計的有效性，并具有良好的崎嶇環(huán)境適應(yīng)能力和