四足機(jī)器人穩(wěn)定行走規(guī)劃及控制技術(shù)研究.pdf

1、在地球陸地表面，有超過(guò)50％以上的面積為崎嶇不平的山丘或沼澤，僅僅依靠輪式機(jī)械無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)在這些自然環(huán)境中的移動(dòng)。因此，設(shè)計(jì)和制造一個(gè)類似動(dòng)物能夠在自然環(huán)境中步行的機(jī)器，一直以來(lái)是人類追求的目標(biāo)。正是這個(gè)原因，使得仿生足式機(jī)器人的研究成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。其中四足機(jī)器人由于其既有超于二足機(jī)器人的平穩(wěn)性又避免了六足機(jī)器人機(jī)構(gòu)的冗余和復(fù)雜性，在工程探險(xiǎn)、反恐防爆、軍事偵察等具有良好的應(yīng)用前景，開(kāi)展該方面的研究具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值及

2、社會(huì)意義。
　　本課題所研究的對(duì)象為足輪混合式四足機(jī)器人，其能很好的結(jié)合輪式機(jī)器人和足式機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)不同的環(huán)境變換輪式運(yùn)動(dòng)和足式運(yùn)動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)方式，達(dá)到良好的運(yùn)動(dòng)靈活性和較高的移動(dòng)速度的統(tǒng)一。論文主要針對(duì)兩種運(yùn)動(dòng)形式中輪足鎖定條件下的足式運(yùn)動(dòng)開(kāi)展研究，在運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法、步態(tài)規(guī)劃、足力控制、嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面尋求實(shí)用有效的設(shè)計(jì)方法。
　　四足機(jī)器人具有時(shí)變的運(yùn)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，論文首先針對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)特點(diǎn)及要求

3、，提出了串并聯(lián)結(jié)合分析的方法，分別對(duì)擺動(dòng)腿及支撐腿的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了分析，解決了多足機(jī)器人無(wú)法建立整體運(yùn)動(dòng)學(xué)的問(wèn)題。同時(shí)，為了準(zhǔn)確的評(píng)定足式機(jī)器人的行走穩(wěn)定性，論文采用支撐面壓力中心至各足支撐點(diǎn)構(gòu)成的多邊型各邊的最短距離來(lái)作為穩(wěn)定性判定準(zhǔn)則，并由此引出了重心最小穩(wěn)定距離概念及相應(yīng)的穩(wěn)定裕度評(píng)定方法，討論了干擾項(xiàng)、重心高度、支撐面姿態(tài)以及機(jī)器人質(zhì)量等參數(shù)與穩(wěn)定裕度的關(guān)系。
　　在四足動(dòng)物步態(tài)一般性描述框架下，根據(jù)不同的步態(tài)參數(shù)取值，結(jié)

4、合機(jī)器人自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，論文規(guī)劃了針對(duì)非平坦路面的間歇爬行步態(tài)和針對(duì)平坦路面的協(xié)調(diào)爬行步態(tài)，并對(duì)兩種步態(tài)在穩(wěn)定裕度、步行柔順性等方面進(jìn)行了對(duì)比仿真分析。最后對(duì)轉(zhuǎn)彎步態(tài)和擺動(dòng)足軌跡進(jìn)行了規(guī)劃，為機(jī)器人步態(tài)實(shí)驗(yàn)提供了理論依據(jù)。
　　針對(duì)非結(jié)構(gòu)環(huán)境，為了保持四足移動(dòng)機(jī)器人軀體的預(yù)定位姿，并實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)足從自由空間到約束空間的良好過(guò)渡，本文建立了四足移動(dòng)機(jī)器人的整體受力模型和虛擬懸掛模型，采用承載能力最優(yōu)的約束條件對(duì)機(jī)器人足力分配進(jìn)行了優(yōu)化，提

5、出了基于足力補(bǔ)償?shù)臋C(jī)器人軀體位姿偏差修正算法。同時(shí)論文結(jié)合改進(jìn)的基于位置的阻抗控制策略，實(shí)現(xiàn)了擺動(dòng)足從擺動(dòng)相到支撐相的良好過(guò)渡和期望的足力跟蹤問(wèn)題。由于基于足力的機(jī)器人控制策略避免了計(jì)算復(fù)雜的多足機(jī)器人多剛體動(dòng)力學(xué)，因而具有較高的實(shí)時(shí)性和可行性。
　　最后，研制了四足機(jī)器人嵌入式分級(jí)遞階多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，針對(duì)關(guān)節(jié)負(fù)載非線性特性，嵌入式系統(tǒng)采用帶自調(diào)整權(quán)函數(shù)的模糊控制規(guī)則，實(shí)現(xiàn)了良好的關(guān)節(jié)速度跟蹤?？刂葡到y(tǒng)的集成化為足式機(jī)器人的離