四足移动机器人步态规划与足力控制研究

摘要

四足移动机器人是机器人的一个重要分支。由于四足移动机器人比二足移动机器人承载能力强、稳定性好，同时又比六足、八足移动机器人的结构简单,因此倍受各国研究人员的重视。本课题来源于黑龙江省科技攻关重点项目“多运动方式四足智能移动机器人的研究”，着重研究四足移动机器人的步态规划和足力控制问题。
　　本文在分析四足动物步态特点的基础上，结合本机器人自身结构特点，规划了仿爬行动物的爬行步态。同时又从稳定裕度、步行效率以及躯体柔顺性等方面对非连续爬行步态和连续爬行步态在平坦路面条件下进行了对比仿真分析。
　　本文另一个研究重点是非平坦路面的步态规划研究。与轮式机器人相比，足式机器人的一个突出优点是能够适应非平坦路面，但需要进行位姿和步态调整才能稳定行走。本文针对阶梯形障碍，从机器人的障碍感知、位姿调整和摆动足规划等几方面对四足移动机器人的越障步态进行了深入分析及仿真。
　　针对非结构环境，为了保持四足移动机器人躯体的预定位姿，并实现摆动足从自由空间到约束空间的良好过渡，本文采用摆动足位置控制、支撑足力控制的混合控制方法。在分析了机器人受力模型的基础上，采用基于虚拟悬挂模型的非平坦路面足力补偿方法，修正躯体的位姿偏差，并结合基于位置的阻抗控制策略，实现机器人足从摆动相到支撑相的过渡和足力跟踪。
　　最后，进行了四足移动机器人的实验研究，包括平坦路面步行实验、非平坦路面步行实验和单足阻抗控制实验。实验验证了理论研究的正确性。

目录

四足移动机器人步态规划与足力控制研究

Research on Gait Planning and Foot Force Control of the Quadruped Robot

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

1.2 四足移动机器人研究现状及综述

1.2.1 四足移动机器人研究现状

1.2.2 四足移动机器人步态研究现状

1.2.3 四足移动机器人足力控制研究现状

1.3 机器人力控制研究综述

1.4 本文研究的主要内容

第2章 四足移动机器人平坦路面步态规划研究

2.1 引言

2.2 四足动物的步态

2.3 步态的基本定义和假设

2.3.1 基本定义

2.3.2 基本假设

2.4 爬行步态规划与仿真

2.4.1 爬行步态的一般描述

2.4.2 摆动足规划

2.4.3 非连续爬行步态规划与仿真

2.4.4 连续爬行步态规划与仿真

2.5 步态仿真的对比分析

2.6 本章小结

第3章 四足移动机器人适应性越障步态规划研究

3.1 引言

3.2 基于足力信息的障碍感知方法

3.2.1 障碍简化

3.2.2 障碍感知

3.3 适应性越障步态规划与仿真

3.3.1 适应性“摸索”算法

3.3.2 初始位置调整步态

3.3.3 越障摆动足规划

3.4 越障能力分析

3.5 本章小结

第4章 四足移动机器人足力控制研究

4.1 引言

4.2 四足移动机器人力学模型

4.3 基于虚拟悬挂模型的非平坦路面足力补偿

4.3.1 虚拟悬挂模型

4.3.2 足力补偿

4.3.3 仿真分析

4.4 四足移动机器人足阻抗控制系统设计

4.4.1 阻抗控制原理

4.4.2 足与地面接触等效模型

4.4.3 基于位置的阻抗控制

4.4.4 阻抗力跟踪研究

4.5 本章小结

第5章 四足移动机器人实验研究

5.1 引言

5.2 四足移动机器人实验系统概述

5.2.1 四足移动机器人样机概述

5.2.2 四足移动机器人控制系统结构概述

5.3 四足移动机器人平坦路面行走实验

5.4 四足移动机器人非平坦路面行走实验

5.5 单足阻抗控制实验

5.6 本章小结

结论

参考文献

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致谢