具有力感知功能的六足机器人及其崎岖地形步行控制研究

摘要

随着人类探索自然界步伐的不断加速，各应用领域对具有复杂环境自主移动能力机器人的需求日趋广泛而深入。足式机器人具有比轮式机器人更加卓越的应对复杂地形的能力，因而被给予了巨大的关注。作为典型的多足步行机器人，六足机器人具有丰富的运动形式、冗余的肢体结构，具备良好的灵活度和稳定性，能够广泛的适应崎岖地形步行，特别适用于对自主性和可靠性要求比较高的任务。因此，对六足机器人相关技术的研究具有重要的理论价值和现实意义。目前，虽然已经存在众多不同用途的六足机器人，相关理论研究也取得较多成果，但由于其控制的复杂性、以及作业环境对其运动性能和智能性的高要求，相关研究还有待进一步深入。本文以实现六足机器人自主、稳定的崎岖地形步行为目标，研制了小型六足机器人，并且对全方位运动规划、腿部力控制、位姿控制进行了深入探讨，最后，通过实验对机器人HITCR的步行能力进行分析和评价。
　　为了能够步行于复杂地形，六足机器人的设计以仿生学的观点获取原型，并且通过结构参数的优化，获得了能够满足高稳定性和灵活性运动要求的结构。小型机器人具有体积小、重量轻的特点，以便其它大型移动设备携带、以及能够穿越更狭小环境，为了实现机器人的小型化，设计了高集成化的躯干系统、均一化的腿部系统以及模块化的关节系统。通过传感器系统的设计使机器人具备环境和自身状态的感知功能。作为典型的MIMO系统，六足机器人在控制方面具有天然的复杂性，为了提高系统的运行效率，设计了四级分布式的控制体系结构，同时为了使系统运行稳定、便于维护，设计了具有合理的参数及布局的供电系统和通信系统。
　　全方位运动规划是实现崎岖地形稳定步行的基础，其以运动学分析为手段、通过腿间协调规则的建立以及足端轨迹的规划，实现六足机器人直行和任意方向的转弯运动。首先，建立六足机器人的运动学模型，并分别对串联和并联结构进行正、逆运动学解算；其次，为了适应变化的地形，提出了足端轨迹自适应策略，采用对足端轨迹分层标识的方法，基于足端触碰及位置信息调用不同策略对预期轨迹进行修正，并且采用高次多项式描述轨迹模型，使足端轨迹满足腿部运动需要且具有良好的动态特性；再次，采用基于腿间局部规则的方法协调腿间的运动，从而生成根据地形自适应调整的自由步态。
　　六足机器人腿部力控制为腿部系统的独立行为，但对机器人整体的运动性能至关重要，它关乎腿部运动状态转换过程中步行的稳定性。首先，为了满足复杂环境足端力的测量需要，设计了基于应变感知原理的足端三维力传感器，该传感器具有能够集成于小型足式机器人胫节、维间非耦合、意外过载保护和一体化设计等特点。其次，通过对足端力传感器测量空间的变换，满足机器人任意姿态下不同工作空间的足端力测量需求。再次，为了提高腿部运动状态转换过程中步行的稳定性，提出了基于事件的腿部状态控制器。采用基于阻抗模型的足端柔顺力控制策略，来减小腿部状态过渡过程的碰撞冲击、以及提高足端力跟踪性能，并且采用自适应方法实现对地形刚度的估计，以及非线性增益补偿策略实现目标阻尼的自适应调节。
　　六足机器人为浮动基机构（FBM，Floating-based Mechanism），其位姿不仅由多条支撑腿的构型共同决定，也受到地形因素的影响。因此，位姿控制的目的是使机器人在复杂的崎岖地形步行过程中保持良好的稳定性和灵活性，并且能够适应更广泛的地形。首先，对六足机器人的初始位姿进行规划，规范了常规步行的基准位姿。其次，通过设计足端层位置辨识（LIT）方法，使机器人能够自主的区分轻度和重度崎岖地形。再次，为了实现轻度崎岖地形的位姿保持策略以及重度崎岖地形的位姿调整策略，从而提高机器人崎岖地形步行的适应性，设计基于 VSDM模型的双环积分滑膜控制器来执行对位姿的控制，并且通过设计基于足力分配的重心位置调整方法来提高步行的稳定性。
　　通过四组典型实验，对本文方法和理论的有效性及机器人HITCR的功能性进行综合分析和验证。首先，通过不同步态和运动模式的比较，对基本运动的稳定性进行验证，并且对行程误差进行评价；其次，通过爬坡实验来验证机器人斜坡地形的步行能力，以及基于足端力的重心位置调整策略的有效性；再次，通过楼梯攀爬实验来验证机器人离散渐变地形的步行能力，以及重度崎岖地形位姿调整策略的有效性；最后，设计了复杂地形全方位运动实验，既对机器人的全方位运动能力进行验证，又分析了基于事件的腿部状态变换过程稳定控制策对运动平稳性的影响。

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第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 多足机器人发展现状

1.3 六足机器人发展现状

1.4 六足机器人运动规划及控制技术综述

1.5 六足机器人研究的关键问题

1.6 论文结构及主要研究内容

第2章 六足机器人HITCR系统的研制

2.1 引言

2.2 机器人总体描述

2.3 六足机器人HITCR机电一体化设计

2.4 腿部综合力感知系统

2.5 四级分布式控制系统设计

2.6 本章小结

第3章 六足机器人全方位运动控制研究

3.1 引言

3.2 六足机器人运动学分析

3.3 崎岖地形自适应足端轨迹规划

3.4 单腿运动控制实现及仿真

3.5 基于Walknet局部规则的自由步态规划

3.6 全方位运动实验分析及验证

3.7 本章小结

第4章 基于足端三维力传感器的腿部力控制研究

4.1 引言

4.2 集成于胫节的足端三维力传感器研制

4.3 足端三维力传感器空间变换

4.4 基于事件的腿部状态变换过程稳定控制策略

4.5 基于足端三维力传感器的腿部柔顺力控制

4.6 足端与崎岖地形交互实验

4.7 本章小结

第5章 六足机器人位姿控制研究

5.1 引言

5.2 初始位姿规划及地形自主判断策略

5.3 轻度崎岖地形位姿保持策略

5.4 重度崎岖地形位姿调整策略

5.5 崎岖地形位姿控制仿真

5.6 崎岖地形位姿控制实验

5.7 本章小结

第6章 六足机器人HITCR综合实验研究

6.1 引言

6.2 实验系统的建立

6.3 不同步态及运动模式下机器人运动实验比较分析

6.4 爬坡能力实验验证

6.5 阶梯地形攀爬实验

6.6 崎岖地形全方位运动实验

6.7 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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致谢

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