具有力感知功能的六足機(jī)器人及其崎嶇地形步行控制研究.pdf

1、隨著人類(lèi)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。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。作為典型的多足步行機(jī)器人，六足機(jī)器人具有豐富的運(yùn)動(dòng)形式、冗余的肢體結(jié)構(gòu)，具備良好的靈活度和穩(wěn)定性，能夠廣泛的適應(yīng)崎嶇地形步行，特別適用于對(duì)自主性和可靠性要求比較高的任務(wù)。因此，對(duì)六足機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的研究具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。目前，雖然已經(jīng)存在眾多不同用途

2、的六足機(jī)器人，相關(guān)理論研究也取得較多成果，但由于其控制的復(fù)雜性、以及作業(yè)環(huán)境對(duì)其運(yùn)動(dòng)性能和智能性的高要求，相關(guān)研究還有待進(jìn)一步深入。本文以實(shí)現(xiàn)六足機(jī)器人自主、穩(wěn)定的崎嶇地形步行為目標(biāo)，研制了小型六足機(jī)器人，并且對(duì)全方位運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、腿部力控制、位姿控制進(jìn)行了深入探討，最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)機(jī)器人HITCR的步行能力進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。
　　為了能夠步行于復(fù)雜地形，六足機(jī)器人的設(shè)計(jì)以仿生學(xué)的觀點(diǎn)獲取原型，并且通過(guò)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，獲得了能夠滿(mǎn)足高穩(wěn)

3、定性和靈活性運(yùn)動(dòng)要求的結(jié)構(gòu)。小型機(jī)器人具有體積小、重量輕的特點(diǎn)，以便其它大型移動(dòng)設(shè)備攜帶、以及能夠穿越更狹小環(huán)境，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的小型化，設(shè)計(jì)了高集成化的軀干系統(tǒng)、均一化的腿部系統(tǒng)以及模塊化的關(guān)節(jié)系統(tǒng)。通過(guò)傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使機(jī)器人具備環(huán)境和自身狀態(tài)的感知功能。作為典型的MIMO系統(tǒng)，六足機(jī)器人在控制方面具有天然的復(fù)雜性，為了提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，設(shè)計(jì)了四級(jí)分布式的控制體系結(jié)構(gòu)，同時(shí)為了使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、便于維護(hù)，設(shè)計(jì)了具有合理的參數(shù)及布局的

4、供電系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。
　　全方位運(yùn)動(dòng)規(guī)劃是實(shí)現(xiàn)崎嶇地形穩(wěn)定步行的基礎(chǔ)，其以運(yùn)動(dòng)學(xué)分析為手段、通過(guò)腿間協(xié)調(diào)規(guī)則的建立以及足端軌跡的規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)六足機(jī)器人直行和任意方向的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。首先，建立六足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并分別對(duì)串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解算；其次，為了適應(yīng)變化的地形，提出了足端軌跡自適應(yīng)策略，采用對(duì)足端軌跡分層標(biāo)識(shí)的方法，基于足端觸碰及位置信息調(diào)用不同策略對(duì)預(yù)期軌跡進(jìn)行修正，并且采用高次多項(xiàng)式描述軌跡模型，使足端軌跡滿(mǎn)足

5、腿部運(yùn)動(dòng)需要且具有良好的動(dòng)態(tài)特性；再次，采用基于腿間局部規(guī)則的方法協(xié)調(diào)腿間的運(yùn)動(dòng)，從而生成根據(jù)地形自適應(yīng)調(diào)整的自由步態(tài)。
　　六足機(jī)器人腿部力控制為腿部系統(tǒng)的獨(dú)立行為，但對(duì)機(jī)器人整體的運(yùn)動(dòng)性能至關(guān)重要，它關(guān)乎腿部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中步行的穩(wěn)定性。首先，為了滿(mǎn)足復(fù)雜環(huán)境足端力的測(cè)量需要，設(shè)計(jì)了基于應(yīng)變感知原理的足端三維力傳感器，該傳感器具有能夠集成于小型足式機(jī)器人脛節(jié)、維間非耦合、意外過(guò)載保護(hù)和一體化設(shè)計(jì)等特點(diǎn)。其次，通過(guò)對(duì)足端力傳感

6、器測(cè)量空間的變換，滿(mǎn)足機(jī)器人任意姿態(tài)下不同工作空間的足端力測(cè)量需求。再次，為了提高腿部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中步行的穩(wěn)定性，提出了基于事件的腿部狀態(tài)控制器。采用基于阻抗模型的足端柔順力控制策略，來(lái)減小腿部狀態(tài)過(guò)渡過(guò)程的碰撞沖擊、以及提高足端力跟蹤性能，并且采用自適應(yīng)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)地形剛度的估計(jì)，以及非線(xiàn)性增益補(bǔ)償策略實(shí)現(xiàn)目標(biāo)阻尼的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。
　　六足機(jī)器人為浮動(dòng)基機(jī)構(gòu)（FBM，F(xiàn)loating-based Mechanism），其位姿不僅

7、由多條支撐腿的構(gòu)型共同決定，也受到地形因素的影響。因此，位姿控制的目的是使機(jī)器人在復(fù)雜的崎嶇地形步行過(guò)程中保持良好的穩(wěn)定性和靈活性，并且能夠適應(yīng)更廣泛的地形。首先，對(duì)六足機(jī)器人的初始位姿進(jìn)行規(guī)劃，規(guī)范了常規(guī)步行的基準(zhǔn)位姿。其次，通過(guò)設(shè)計(jì)足端層位置辨識(shí)（LIT）方法，使機(jī)器人能夠自主的區(qū)分輕度和重度崎嶇地形。再次，為了實(shí)現(xiàn)輕度崎嶇地形的位姿保持策略以及重度崎嶇地形的位姿調(diào)整策略，從而提高機(jī)器人崎嶇地形步行的適應(yīng)性，設(shè)計(jì)基于 VSDM模型的

8、雙環(huán)積分滑膜控制器來(lái)執(zhí)行對(duì)位姿的控制，并且通過(guò)設(shè)計(jì)基于足力分配的重心位置調(diào)整方法來(lái)提高步行的穩(wěn)定性。
　　通過(guò)四組典型實(shí)驗(yàn)，對(duì)本文方法和理論的有效性及機(jī)器人HITCR的功能性進(jìn)行綜合分析和驗(yàn)證。首先，通過(guò)不同步態(tài)和運(yùn)動(dòng)模式的比較，對(duì)基本運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證，并且對(duì)行程誤差進(jìn)行評(píng)價(jià)；其次，通過(guò)爬坡實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證機(jī)器人斜坡地形的步行能力，以及基于足端力的重心位置調(diào)整策略的有效性；再次，通過(guò)樓梯攀爬實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證機(jī)器人離散漸變地形的步行能力，以