基于SLIP模型的四足機器人對角小跑步態(tài)控制研究.pdf

1、經(jīng)過千萬年的自然選擇，四足哺乳動物具有了運動靈活、環(huán)境適應能力強等特點。以其為模板的四足仿生機器人因具有在野外復雜環(huán)境下的巨大應用潛力而成為機器人研究的一大熱點。山地運輸?shù)葢脠龊细鼘λ淖惴律鷻C器人的載重能力和復雜地形下的快速通過能力提出了現(xiàn)實需求，而對角小跑步態(tài)是不同體型的四足哺乳動物在不同地形條件下廣泛應用的中速步態(tài)。但是從機構(gòu)拓撲學角度分析，四足機器人屬于多支鏈運動機構(gòu)，具有時變的拓撲幾何結(jié)構(gòu)。在機器人行進時伴隨著落足時刻的地面沖

2、擊，給機器人機構(gòu)以及驅(qū)動單元的設(shè)計增大了難度。作為冗余傳動的代表，運動支鏈間的多自由度運動耦合給機器人多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運動和實時動態(tài)平衡控制帶來極大挑戰(zhàn)。
　　本文以四足哺乳動物為模板，在形態(tài)學和生物動力學分析與總結(jié)的基礎(chǔ)上，提出了四足仿生機器人對角小跑步態(tài)控制方法，搭建了基于液壓驅(qū)動的四足仿生機器人系統(tǒng)。本文首先在彈簧負載倒立擺被動動力學特性研究的基礎(chǔ)上，解決了三維直腿四足機器人模型在對角小跑步態(tài)下的機身速度和姿態(tài)控制問題；隨后，基于

3、關(guān)節(jié)功能分解思想，并通過在腿部關(guān)節(jié)運動中引入生物特性，實現(xiàn)了機器人仿生腿部多關(guān)節(jié)的協(xié)同運動；最后，通過大量的仿真與樣機實驗研究，驗證了控制方法的有效性和機器人系統(tǒng)設(shè)計的正確性。
　　本文通過對生物形態(tài)學的分析總結(jié)，建立了四足仿生機器人的運動模型，并通過四足哺乳動物的運動動力學特性分析，在完整模型的基礎(chǔ)上進一步建立出一系列簡化模型。在彈簧負載倒立擺被動動力學特性研究的基礎(chǔ)上，通過引入多自由度分解控制思想，提出了四足機器人在矢狀面內(nèi)的

4、平面三桿簡化模型的前進、跳躍和俯仰三個運動自由度的控制策略。在此基礎(chǔ)上，進一步擴展獲得四足機器人的橫移、橫滾與偏航自由度控制策略。通過總結(jié)各個自由度的控制方法，解決了四足機器人多自由度協(xié)同控制問題，并通過仿真和原理樣機實驗加以驗證。
　　針對仿生腿部機構(gòu)冗余驅(qū)動問題，在生物運動特性和直腿模型控制方法分析與總結(jié)的基礎(chǔ)上，提出了基于多關(guān)節(jié)功能分解思想的仿生腿部多關(guān)節(jié)控制方法。該方法通過為仿生腿部各個關(guān)節(jié)分配不同功能，使各關(guān)節(jié)在機器人運

5、動中分別控制各個機身自由度。在此基礎(chǔ)上，進一步引入生物特性，提高四足機器人的前進速度和地面適應性等性能。
　　為了減小重負載情況下四足機器人在快速運動過程中過大的足-地作用給機器人本體帶來的不利影響，本文提出了基于關(guān)節(jié)/足端軌跡方法的無騰空相對角小跑步態(tài)行走控制策略。針對傳統(tǒng)軌跡規(guī)劃方法缺乏機體控制，忽視足地交互作用等缺陷，本文在柔性關(guān)節(jié)分析的基礎(chǔ)上，綜合直腿模型的機體控制方法和關(guān)節(jié)功能分解方法，提出了由橫擺關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)的機身橫滾、橫

6、移和偏航自由度協(xié)同控制策略，基于足底力信息反饋的著地相膝關(guān)節(jié)軌跡調(diào)節(jié)方法以及騰空相足端軌跡規(guī)劃方法。在仿真研究中，應用該方法的四足機器人虛擬樣機實現(xiàn)了側(cè)向擾動下的平衡自恢復和崎嶇地形上的快速通過。
　　最后，通過采用基于曲柄搖塊機構(gòu)和伺服液壓缸的關(guān)節(jié)驅(qū)動機構(gòu)，在虛擬樣機仿真結(jié)果分析和總結(jié)的基礎(chǔ)上，完成了關(guān)節(jié)驅(qū)動器的選型，驅(qū)動機構(gòu)的尺寸設(shè)計及四足仿生機器人的單腿結(jié)構(gòu)設(shè)計，并通過單腿1D彈跳實驗驗證了腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計的正確性。隨后，通過機