基于SLIP模型的四足机器人对角小跑步态控制研究

摘要

经过千万年的自然选择，四足哺乳动物具有了运动灵活、环境适应能力强等特点。以其为模板的四足仿生机器人因具有在野外复杂环境下的巨大应用潜力而成为机器人研究的一大热点。山地运输等应用场合更对四足仿生机器人的载重能力和复杂地形下的快速通过能力提出了现实需求，而对角小跑步态是不同体型的四足哺乳动物在不同地形条件下广泛应用的中速步态。但是从机构拓扑学角度分析，四足机器人属于多支链运动机构，具有时变的拓扑几何结构。在机器人行进时伴随着落足时刻的地面冲击，给机器人机构以及驱动单元的设计增大了难度。作为冗余传动的代表，运动支链间的多自由度运动耦合给机器人多关节协调运动和实时动态平衡控制带来极大挑战。
　　本文以四足哺乳动物为模板，在形态学和生物动力学分析与总结的基础上，提出了四足仿生机器人对角小跑步态控制方法，搭建了基于液压驱动的四足仿生机器人系统。本文首先在弹簧负载倒立摆被动动力学特性研究的基础上，解决了三维直腿四足机器人模型在对角小跑步态下的机身速度和姿态控制问题；随后，基于关节功能分解思想，并通过在腿部关节运动中引入生物特性，实现了机器人仿生腿部多关节的协同运动；最后，通过大量的仿真与样机实验研究，验证了控制方法的有效性和机器人系统设计的正确性。
　　本文通过对生物形态学的分析总结，建立了四足仿生机器人的运动模型，并通过四足哺乳动物的运动动力学特性分析，在完整模型的基础上进一步建立出一系列简化模型。在弹簧负载倒立摆被动动力学特性研究的基础上，通过引入多自由度分解控制思想，提出了四足机器人在矢状面内的平面三杆简化模型的前进、跳跃和俯仰三个运动自由度的控制策略。在此基础上，进一步扩展获得四足机器人的横移、横滚与偏航自由度控制策略。通过总结各个自由度的控制方法，解决了四足机器人多自由度协同控制问题，并通过仿真和原理样机实验加以验证。
　　针对仿生腿部机构冗余驱动问题，在生物运动特性和直腿模型控制方法分析与总结的基础上，提出了基于多关节功能分解思想的仿生腿部多关节控制方法。该方法通过为仿生腿部各个关节分配不同功能，使各关节在机器人运动中分别控制各个机身自由度。在此基础上，进一步引入生物特性，提高四足机器人的前进速度和地面适应性等性能。
　　为了减小重负载情况下四足机器人在快速运动过程中过大的足-地作用给机器人本体带来的不利影响，本文提出了基于关节/足端轨迹方法的无腾空相对角小跑步态行走控制策略。针对传统轨迹规划方法缺乏机体控制，忽视足地交互作用等缺陷，本文在柔性关节分析的基础上，综合直腿模型的机体控制方法和关节功能分解方法，提出了由横摆关节调节的机身横滚、横移和偏航自由度协同控制策略，基于足底力信息反馈的着地相膝关节轨迹调节方法以及腾空相足端轨迹规划方法。在仿真研究中，应用该方法的四足机器人虚拟样机实现了侧向扰动下的平衡自恢复和崎岖地形上的快速通过。
　　最后，通过采用基于曲柄摇块机构和伺服液压缸的关节驱动机构，在虚拟样机仿真结果分析和总结的基础上，完成了关节驱动器的选型，驱动机构的尺寸设计及四足仿生机器人的单腿结构设计，并通过单腿1D弹跳实验验证了腿部结构设计的正确性。随后，通过机体结构设计、控制-传感系统构建和动力单元设计等工作最终搭建了无缆化四足仿生机器人样机实验平台。通过侧向扰动、平坦路面行走和跑步机行走等样机实验验证了控制算法的有效性和可行性。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 四足仿生机器人国内外研究现状

1.3研究现状总结

1.4课题的研究目标与主要研究内容

第2章 四足机器人简化动力学模型分析与控制研究

2.1 引言

2.2 四足仿生机器人简化模型建立

2.3 SLIP及平面三杆模型被动动力学特性分析

2.4 四足机器人原理级简化模型运动控制研究

2.5 三维直腿四足机器人模型运动控制研究

2.6 仿真研究与原理样机实验

2.7 本章小结

第3章 基于SLIP控制原理和关节功能分解策略的仿生腿部控制研究

3.1 引言

3.2 腿部驱动机构及仿生多关节腿部运动学建模

3.3仿生腿部机构多关节控制方法

3.4 具有仿生腿部机构的四足机器人仿真分析

3.5外扰下的奔跑运动平衡控制策略

3.6 本章小结

第4章 基于SLIP运动特性和多传感信息反馈的四足机器人控制研究

4.1 引言

4.2 四足机器人对角小跑步态行走运动及控制策略分析

4.3 柔性关节驱动模型

4.4 基于关节位置规划和阻抗特性的机器人姿态角调节策略

4.5 四足机器人矢状面内运动控制

4.6 基于关节轨迹规划的机器人行走运动仿真

4.7 本章小结

第5章 四足机器人系统搭建与实验研究

5.1 引言

5.2 四足机器人机械本体设计

5.3 四足机器人控制系统软硬件平台

5.4四足机器人实验研究

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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