六足仿生機器人步態(tài)規(guī)劃與控制系統(tǒng)研究.pdf

1、隨看人類探索自然界步伐的不斷加速,各應用領域?qū)哂袕碗s環(huán)境下自主移動能力機器人的需求日趨廣泛。步行機器人作為一種代替輪式或履帶式移動裝置來穿越復雜地形的移動機構(gòu),以其特有的優(yōu)勢得到越來越多的研究。
　　 六足仿生機器人地形適應能力強,具有冗余肢體,可以在肢體不完備的情況下繼續(xù)執(zhí)行一定的工作,適合擔當災后探測、野外偵查以及太空探測等對自主性、靈活性和可靠性要求比較高的工作。同時,其多足的緣故需要實施協(xié)調(diào)控制,也導致六足機器人控制較

2、為復雜。作為地球上最成功的運動生物,多足昆蟲則以其復雜精妙的肢體結(jié)構(gòu)和靈巧的運動控制策略,可輕易地穿越各種復雜的自然地形,甚至能在光滑的表面上倒立行走。因此,將多足昆蟲的行為學研究成果,融入到步行機器人的設計與控制中,開發(fā)具有卓越移動能力的六足仿生機器人,對于足式移動機器人技術(shù)的研究與應用具有重要的理論和現(xiàn)實意義。
　　 本文從仿生的角度出發(fā),對六足步行機器人的構(gòu)形設計、運動學計算、步態(tài)規(guī)劃與變換、控制方法設計等方面進行了深入探

3、討,并通過仿真實驗驗證了其準確性和合理性。
　　 首先,論文綜合論述了六足機器人的技術(shù)發(fā)展概況、應用前景,討論了發(fā)展趨勢,制定了本課題的研究目的和內(nèi)容等。其次,設計了六足仿生機器人的構(gòu)型,并以此建立模型,對其步態(tài)原理進行了研究。分析了三角步態(tài)原理,規(guī)劃了典型直線行走和定點轉(zhuǎn)彎步態(tài),并進行了穩(wěn)定裕量計算,以保證機器人運行的穩(wěn)定性。針對六足仿生機器人規(guī)劃了三種典型步態(tài):波動步態(tài)、中速步態(tài)、三足步態(tài),設計實現(xiàn)了基于節(jié)律性神經(jīng)網(wǎng)絡的步態(tài)

4、產(chǎn)生機制。然后,根據(jù)六足步行機器人運動協(xié)調(diào)性、準確性的控制要求,在分析WilsonCowan神經(jīng)振蕩器和Hopf神經(jīng)振蕩器的基礎上,設計了用于六足機器人步態(tài)控制的中樞模式發(fā)生器(CPG),利用CPG控制方法解決步態(tài)規(guī)劃中步態(tài)產(chǎn)生和步態(tài)轉(zhuǎn)換兩個問題。為了將CPG模型更好的應用于工程中,在總結(jié)了工程中實用的CPG模型參數(shù)整定方法的基礎上,本文利用計算機數(shù)值仿真的方法,得到CPG模型參數(shù)的改變對輸出影響的趨勢,以及保證方程穩(wěn)定振蕩的參數(shù)取值范

5、圍。通過對相應參數(shù)的分析和整定,確定了參數(shù)數(shù)值。
　　 最后,在改進后的Wilson Cowan神經(jīng)振蕩器構(gòu)成的對稱CPG控制系統(tǒng)基礎上,利用所選參數(shù),實現(xiàn)了對六足機器人典型步態(tài)的控制。通過對步態(tài)權(quán)矩陣的替換,可以實現(xiàn)任意兩種步態(tài)之間的轉(zhuǎn)換,針對轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)的幅值不相等的問題,提出了數(shù)據(jù)標準化變換的修改方法。
　　 通過Matlab仿真實驗證明,基于中樞模式發(fā)生器的機器人節(jié)律運動控制方法的控制效果理想,論文提出的步態(tài)規(guī)