基于变刚度主动柔性关节的四足机器人稳定运动控制研究

摘要

柔性关节四足机器人因其在运动过程中缓冲外部冲击以及能耗优化方面的巨大优势而在四足机器人发展领域受到了越来越多的关注。针对定刚度柔性关节四足机器人在运动过程中存在的一些不足，本文进行了基于变刚度主动柔性关节四足机器人的稳定运动控制研究，通过本文的控制策略可以消除由于柔性环节的存在而对机器人稳定运动过程产生的不利影响，同时，使得变刚度主动柔性关节四足机器人相比于定刚度柔性关节四足机器人具有更优的能耗。 首先，建立了变刚度主动柔性关节四足机器人的简化模型，通过对四足机器人模型的运动学、变刚度主动柔性关节的主动变刚度机构参数标定方法以及关节输出力矩估计函数动态辨识方法的研究，为后续基于变刚度主动柔性关节的四足机器人稳定运动控制研究奠定基础。 然后，针对变刚度主动柔性关节四足机器人腿部在摆动相运动过程中存在震荡的问题，本文首先对四足机器人运动过程中的震荡原因进行了分析，在明确了震荡原因的基础上，规划变刚度主动柔性关节的控制方法，并进行了四足器人腿部摆动相足端轨迹的生成方法研究。 最后，本文进行了基于关节刚度主动调节的崎岖路面下四足机器人爬行步态以及平坦路面下四足机器人对角步态的稳定运动控制策略研究。通过调节关节主动变刚度系数对四足机器人爬行步态运动过程中以及落地足数量改变时的足端线位移偏移量进行控制，保证四足机器人不至产生不期望的机身倾角；通过对四足机器人对角步态下的关节柔性环节储能进行分析，阐述了关节目标刚度的推导方法；为了对机身姿态角进行控制，提出了基于足力调节的四足机器人对角步态下的机身姿态角调节策略，并在控制方法中对足端线位移偏移引起的额外机身倾角进行了补偿；为了使四足机器人关节柔性环节储能更多的应用于有利于四足机器人稳定运动或者符合期望运动轨迹的方面，本文通过数值分析的方法对不同刚度下的关节柔性环节释放能量特性进行了分析。

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