復雜地形環(huán)境四足機器人運動控制方法研究與實現(xiàn).pdf

1、地球陸地表面有一半以上的面積為崎嶇地形，包括山地、沼澤、溝壑等，在這些地形無法使用傳統(tǒng)的輪式或履帶式機構進行移動，因而在這些地域的地形勘測、工程探險、軍事偵察等任務難以使用傳統(tǒng)移動機器人完成。然而許多陸生動物能夠在這些崎嶇地形靈活奔跑跳躍，這給予人類以下啟發(fā):腿足移動方式在崎嶇地形具有極大優(yōu)勢。
　　大自然中的生物千千萬，而大型陸生動物絕大多數(shù)都是四足動物，這說明在漫長而又殘酷的優(yōu)勝劣汰過程中，四足動物獲得了大自然的認可，逐漸發(fā)展

2、壯大并繁衍至今。獵豹能高速奔跑，山羊能在峭壁上如履平地，駱駝能長期在嚴酷環(huán)境下負重行走，四足移動方式的優(yōu)勢不言而喻。
　　目前腿足式機器人按照腿的數(shù)量主要分為單足、雙足、四足、六足、八足等，其中四足形式因為擁有比雙足更強的穩(wěn)定性和比六足、八足更簡單的機構而廣受重視，這與大自然的選擇完全一致，更堅定了人們研究四足機器人的決心。
　　本文通過研究四足機器人的結構和步態(tài)，提出了一系列的控制方法，主要包括以下幾方面內(nèi)容:
　　

3、1、對于移動機器人來說，移動是機器人的基本功能;對四足機器人來說，在保持穩(wěn)定的情況下實現(xiàn)快速、靈活的移動則是機器人控制的重中之重。本文提出一種基于振蕩合成的運動控制方法，首先將機器人在平面內(nèi)的運動解耦為前后移動、左右移動和自轉(zhuǎn)運動，然后對三個方向上的速度進行獨立控制，再通過軌跡合成獲得最終足端軌跡，實現(xiàn)了機器人的全方位移動。
　　2、斜坡是一種常見地形，當機器人在斜坡上移動時，質(zhì)心在支撐多邊形內(nèi)的位置會向斜坡下方偏移，從而影響機器

4、人的對稱性，降低行走穩(wěn)定性。本文通過對機器人進行運動學分析，采用坐標映射的方式調(diào)整足端位置，在不影響步態(tài)規(guī)劃的情況下完成對坡度的自適應，將平面內(nèi)的全方位移動方法擴展到任意斜面，實現(xiàn)了機器人在斜面上的“如履平地”。
　　3、除了平地和斜坡外，自然界中有各種各樣的崎嶇地形，如何在非結構崎嶇地形下穩(wěn)定移動，這是四足機器人運動控制中的重點和難點。本文使用觸覺對非結構化地形進行實時探測，將機器人運動解耦為基本步態(tài)規(guī)劃、質(zhì)心位置調(diào)整、姿態(tài)調(diào)整

5、三個部分，通過多個任務協(xié)調(diào)實現(xiàn)機器人的穩(wěn)定移動。最后在一個破損的樓梯上進行測試，機器人在對環(huán)境無任何先驗知識的情況下順利爬上樓梯，展示出良好的穩(wěn)定性和崎嶇地形移動能力。
　　4、以上均為通過規(guī)劃足端位置實現(xiàn)機器人的移動控制。除此以外，本文還研究了在力控制模式下的對角腿站立穩(wěn)定控制問題。目前大多數(shù)腿足式機器人的穩(wěn)定依賴于大腳掌、多足支撐或連續(xù)跳躍，而本文將機器人在對角腿支撐狀態(tài)的控制解耦為三部分并分別控制，使用線性二次型調(diào)節(jié)器(Li