基于足底力反馈的四足仿生机器人对角步态运动控制研究

摘要

四足仿生机器人能够在野外复杂的地形环境中以较高的速度实现稳定行走，具有较大的负载能力。实现四足机器人的稳定运动是其各项应用的前提和保证，本文针对四足机器人对角步态，提出一种基于足底力反馈的运动控制策略。通过运动分解，将机器人分解为一个七连杆闭式链模型和一个线性倒立摆模型，使机体模型得到简化，并分别采用力分配算法和落足点选择实现机器人的稳定控制。
　　首先，本文详细分析了四足机器人对角步态的特点，其在运动过程中的任一时刻均只有对角两腿处于支撑状态，没有四足腾空期。因此本文提出将四足机器人沿支撑线方向分解为一个七连杆闭式链模型，沿支撑线法向分解为一个线性倒立摆模型。
　　其次，针对七连杆闭式链模型，提出内外环分层控制策略，通过力分配算法，将本体的控制力和力矩分解到支撑腿的期望接触力上，详细给出了力分配算法的数学描述和推导过程，分别设计内外环控制器实现对机器人本体高度、支撑线方向速度和三个姿态角5个自由度的控制。针对线性倒立摆模型提出摆动腿落足点选择策略，并给出切换控制的稳定性分析过程，通过切换时刻的摆动腿落足点选择实现对本体另一自由度即支撑线法向速度的稳定控制。
　　最后，根据运动合成定理，将七连杆模型的运动和线性倒立摆的运动进行合成，即为四足机器人本体的运动。在RecurDyn搭建仿真模型，通过前向运动、侧向运动和转弯运动验证了控制策略的有效性。在四足机器人平台中设计实验，采用本文提出的控制策略，实现了四足机器人的原地踏步，前向运动和原地转弯运动。各项数据结果表明，应用本文提出的基于足底力反馈的对角步态运动控制策略，机器人能够实现稳定的运动。

目录

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第一章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 四足仿生机器人国内外研究现状

1.3 本文研究内容

第二章 四足机器人对角步态控制策略

2.1 引言

2.2 四足机器人结构及运动特点分析

2.3 对角步态运动分解策略

2.4 单腿柔顺控制

2.5 本章小结

第三章 支撑线七连杆闭式链建模与控制方法

3.1 引言

3.2 支撑线等效模型

3.3 仿真与分析

3.4 本章小结

第四章 法向运动分析与控制

4.1 引言

4.2 支撑线法向等效模型

4.3 切换控制策略及稳定性分析

4.4 切换控制方法研究

4.5 仿真及分析

4.6 本章小结

第五章 四足机器人速度合成策略

5.1 引言

5.2 四足机器人整体控制框架

5.3 直线运动速度合成策略

5.4 转弯运动控制策略

5.5 仿真验证

5.6 实验验证

5.7 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 研究工作总结

6.2 未来工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果