六足仿生機(jī)器人的研制及其運(yùn)動(dòng)規(guī)劃研究.pdf

1、隨著人類探索自然界步伐的不斷加速，各應(yīng)用領(lǐng)域?qū)哂袕?fù)雜環(huán)境自主移動(dòng)能力機(jī)器人的需求，日趨廣泛而深入。理論上，足式機(jī)器人具有比輪式機(jī)器人更加卓越的應(yīng)對(duì)復(fù)雜地形的能力，因而被給予了巨大的關(guān)注，但到目前為止，由于自適應(yīng)步行控制算法匱乏等原因，足式移動(dòng)方式在許多實(shí)際應(yīng)用中還無(wú)法付諸實(shí)踐。另一方面，作為地球上最成功的運(yùn)動(dòng)生物，多足昆蟲(chóng)則以其復(fù)雜精妙的肢體結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)易靈巧的運(yùn)動(dòng)控制策略，輕易地穿越了各種復(fù)雜的自然地形，甚至能在光滑的表面上倒立行走。因

2、此，將多足昆蟲(chóng)的行為學(xué)研究成果，融入到步行機(jī)器人的設(shè)計(jì)與控制中，開(kāi)發(fā)具有卓越移動(dòng)能力的六足仿生機(jī)器人，對(duì)于足式移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的研究與應(yīng)用具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。
　　本文從仿生的角度出發(fā)，對(duì)六足步行機(jī)器人的構(gòu)形設(shè)計(jì)、理論建模、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了深入探討，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)其在復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。
　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，將多足昆蟲(chóng)的步行結(jié)構(gòu)建模為具有三自由度腿及橢圓狀肢體分布的構(gòu)形；設(shè)計(jì)了舵機(jī)驅(qū)動(dòng)、平行四連桿傳

3、動(dòng)的具有全方位移動(dòng)能力的本體結(jié)構(gòu)；以腿部肢節(jié)比例、基節(jié)軸線方向?yàn)樽宰兞浚瑓⒖嘉蛔讼聶C(jī)器人軀干的六維運(yùn)動(dòng)尺度為因變量，構(gòu)造靈活度目標(biāo)函數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。設(shè)計(jì)了由上位機(jī) PC、嵌入式主控制器、信號(hào)采集與驅(qū)動(dòng)控制器組成的層次化控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了由步態(tài)控制、肢體控制、關(guān)節(jié)電機(jī)、傳感感知、通信模塊組成的模塊化控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)。對(duì)步行控制任務(wù)進(jìn)行功能和行為組合分解，提出了基于功能行為集成的分布式步態(tài)控制結(jié)構(gòu)和自由步態(tài)步行控制模式與腿部反

4、射控制模式相結(jié)合的復(fù)雜地形步行總體控制模式。
　　運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析方面，在多足昆蟲(chóng)結(jié)構(gòu)建?；A(chǔ)上，建立了六足仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，綜合運(yùn)用串、并聯(lián)機(jī)構(gòu)學(xué)理論，分別推導(dǎo)了單足擺動(dòng)腿和多足支撐腿的位置、速度、加速度運(yùn)動(dòng)學(xué)方程?；谶_(dá)朗伯原理建立六足機(jī)器人的拉格朗日動(dòng)力學(xué)模型，運(yùn)用運(yùn)動(dòng)影響系數(shù)機(jī)構(gòu)學(xué)理論將系統(tǒng)受到的所有力都折算到廣義坐標(biāo)上來(lái)建立力平衡方程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)求解，推導(dǎo)出拉格朗日動(dòng)力學(xué)方程；探討了驅(qū)動(dòng)力矩超確定輸入問(wèn)題，依據(jù)能量

5、守恒原理和運(yùn)動(dòng)影響系數(shù)理論，推導(dǎo)了所有輸入力矩的協(xié)調(diào)方程。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)正確性驗(yàn)證及機(jī)器人動(dòng)力學(xué)特性的仿真測(cè)試。
　　腿部軌跡規(guī)劃方面，分別針對(duì)地形平坦或輕度崎嶇以及重度崎嶇的情形，提出了輕度崎嶇地形軌跡規(guī)劃策略和重度崎嶇地形腿部反射軌跡規(guī)劃策略。對(duì)于前者，構(gòu)建了統(tǒng)一的擺動(dòng)相和支撐相軌跡規(guī)劃描述，提出了基于緩沖區(qū)的擺動(dòng)相組合多項(xiàng)式曲線軌跡規(guī)劃策略，并依據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理將支撐相規(guī)劃的并聯(lián)閉鏈問(wèn)題轉(zhuǎn)化為串聯(lián)開(kāi)鏈問(wèn)題。對(duì)于后者，

6、采用具有圓弧過(guò)渡的組合直線足端軌跡建立了抬腿和尋落反射機(jī)制的人工實(shí)現(xiàn)模型；并根據(jù)步行需要提出了單次反射、多次反射、復(fù)合反射的人工反射模式。
　　步態(tài)規(guī)劃方面，通過(guò)多足昆蟲(chóng)步態(tài)分析和抽象，推導(dǎo)出步行速度與步態(tài)模式間的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)，提出了多足步行的調(diào)速方法；提出了基于相位時(shí)鐘的腿間相序描述方法和基于腿間相序調(diào)整的自由步態(tài)形成原理。綜合考慮加速度因素的影響，提出一種基于改進(jìn)能量穩(wěn)定裕度法的穩(wěn)定性判定方法，推導(dǎo)了六足步行穩(wěn)定裕度與步長(zhǎng)及步行加

7、速度的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)，并給出了維持靜態(tài)穩(wěn)定步行的步態(tài)參數(shù)域。依據(jù)自由步態(tài)形成原理，提出了腿間相序的調(diào)整策略和作用于相鄰?fù)戎g的局部規(guī)則，借助分布式局部規(guī)則網(wǎng)絡(luò)，分別應(yīng)用基于有限狀態(tài)機(jī)的狹義步態(tài)控制算法與廣義步態(tài)控制算法，實(shí)時(shí)地自適應(yīng)調(diào)整錯(cuò)亂的腿間相序，生成了靜態(tài)穩(wěn)定的自由步態(tài)，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　在設(shè)計(jì)搭建的六足仿生機(jī)器人步行實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，分別實(shí)施了固化步態(tài)步行實(shí)驗(yàn)、腿部反射步行實(shí)驗(yàn)、自由步態(tài)步行實(shí)驗(yàn)，不僅驗(yàn)證了所提出的六足步行