復(fù)雜地形環(huán)境中四足機(jī)器人行走方法研究.pdf

1、地球陸地表面有超過50％以上的面積都是崎嶇不平的山地、陡坡、沼澤等，輪式或履帶式機(jī)構(gòu)均無法在這些地形中移動(dòng)。然而，許多陸生四足哺乳能夠在崎嶇度較高的地形中靈活自如地行走，它們?cè)谪?fù)重能力、復(fù)雜地形適應(yīng)性、運(yùn)動(dòng)靈活性以及能量利用率等方面都具有極大的優(yōu)勢(shì)。
　　以四足哺乳動(dòng)物為仿生對(duì)象開發(fā)的四足機(jī)器人既有比雙足機(jī)器人更高的穩(wěn)定性又避免了多足機(jī)器人機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性，因而，從制造成本、控制難易程度和穩(wěn)定性等方面綜合考慮，四足機(jī)器人為最佳的腿足式

2、機(jī)器人形式。鑒于四足機(jī)器人所具有的諸多優(yōu)點(diǎn)，其在地形勘測(cè)、工程探險(xiǎn)、救災(zāi)救援、軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　四足機(jī)器人自身機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是一個(gè)非線性多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。因此，構(gòu)造具有大負(fù)載能力、高動(dòng)態(tài)性和環(huán)境適應(yīng)性的高性能四足機(jī)器人需要在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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、系統(tǒng)集成等方面有所突破。論文主要圍繞如何提高四足機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)性和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，通過研究四足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)

3、，提出了一系列步態(tài)生成方法，主要包括以下幾方面內(nèi)容:
　　1、實(shí)現(xiàn)單關(guān)節(jié)對(duì)給定信號(hào)的準(zhǔn)確跟隨是四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的基礎(chǔ)。本文在分析四足機(jī)器人拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，建立了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并提出了一種基于速度前饋的四足機(jī)器人單關(guān)節(jié)伺服控制器，通過將期望軌跡經(jīng)由雅克比矩陣獲得的期望的關(guān)節(jié)角速度作為伺服系統(tǒng)的前饋，有效地改善了四足機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)的性能。
　　2、為了保證四足機(jī)器人在一般崎嶇地形中穩(wěn)定地行走，本文提出了一種連續(xù)靜步

4、態(tài)的生成方法。在四足機(jī)器人的行走過程中，規(guī)劃其軀干平行于水平地面且以一定的速度連續(xù)地向前運(yùn)動(dòng)，這樣，能夠在簡(jiǎn)化步態(tài)生成的同時(shí)提高機(jī)器人的平均運(yùn)動(dòng)速度;通過增加四足支撐相中的重心擺動(dòng)，機(jī)器人穩(wěn)定性得到有效地提高;另外，本文中給出了擺動(dòng)足足底運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃方法，能夠保證擺動(dòng)足準(zhǔn)確地運(yùn)動(dòng)至目標(biāo)落足點(diǎn)。
　　3、當(dāng)四足機(jī)器人使用非連續(xù)步態(tài)行走時(shí)，雖然其平均運(yùn)動(dòng)速度較低，但能夠獲得較高的穩(wěn)定裕度。本文提出了一種四足機(jī)器人非連續(xù)靜步態(tài)的規(guī)劃方法

5、。該方法包括姿態(tài)調(diào)整規(guī)劃、軀干運(yùn)動(dòng)曲線規(guī)劃以及擺動(dòng)足足底軌跡規(guī)劃三部分。通過對(duì)這三部分的規(guī)劃，有效地保證了四足機(jī)器人在行走過程中的穩(wěn)定性，進(jìn)而提高了四足機(jī)器人的地形適應(yīng)性。
　　4、自然地形中往往包含不適于四足機(jī)器人落足的區(qū)域，當(dāng)在這類地形上行走時(shí)，四足機(jī)器人需要使用一種名為自由步態(tài)的非周期性的靜步態(tài)。本文給出了一種連續(xù)自由步態(tài)的規(guī)劃方法?；诘匦沃刑崆耙阎目蛇x落足點(diǎn)位置，四足機(jī)器人在行走過程中，能夠自主選擇邁步順序，并為擺動(dòng)足

6、選擇最優(yōu)落足點(diǎn);通過重心的擺動(dòng)，四足機(jī)器人能夠保證其在行走過程中的穩(wěn)定裕度不小于最小穩(wěn)定裕度。使用本文中提出的連續(xù)自由步態(tài)，四足機(jī)器人能夠自主、穩(wěn)定、快速地通過包含不可落足區(qū)域的崎嶇地形。
　　5、通過力控制方法的應(yīng)用，可以提高四足機(jī)器人在行走過程中的步態(tài)柔順性，進(jìn)而保證四足機(jī)器人在崎嶇地形上的穩(wěn)定性。本文著重研究了四足機(jī)器人在使用靜步態(tài)/自由步態(tài)行走時(shí)的力控制方法，詳細(xì)分析了基于動(dòng)力學(xué)模型的力控制方法和基于PD的力控制方法，并給