复杂地形环境中四足机器人行走方法研究

摘要

地球陆地表面有超过50％以上的面积都是崎岖不平的山地、陡坡、沼泽等，轮式或履带式机构均无法在这些地形中移动。然而，许多陆生四足哺乳能够在崎岖度较高的地形中灵活自如地行走，它们在负重能力、复杂地形适应性、运动灵活性以及能量利用率等方面都具有极大的优势。
　　以四足哺乳动物为仿生对象开发的四足机器人既有比双足机器人更高的稳定性又避免了多足机器人机构的复杂性，因而，从制造成本、控制难易程度和稳定性等方面综合考虑，四足机器人为最佳的腿足式机器人形式。鉴于四足机器人所具有的诸多优点，其在地形勘测、工程探险、救灾救援、军事侦察、环境监测等领域具有广阔的应用前景。
　　四足机器人自身机械结构复杂，是一个非线性多体系统动力学系统。因此，构造具有大负载能力、高动态性和环境适应性的高性能四足机器人需要在机械结构设计、运动学分析、稳定性评价方法、步态规划、足力控制、系统集成等方面有所突破。论文主要围绕如何提高四足机器人的环境适应性和运动稳定性，通过研究四足机器人的结构和运动特点，提出了一系列步态生成方法，主要包括以下几方面内容:
　　1、实现单关节对给定信号的准确跟随是四足机器人运动控制的基础。本文在分析四足机器人拓扑结构的基础上，建立了机器人的运动学模型，并提出了一种基于速度前馈的四足机器人单关节伺服控制器，通过将期望轨迹经由雅克比矩阵获得的期望的关节角速度作为伺服系统的前馈，有效地改善了四足机器人关节伺服系统的性能。
　　2、为了保证四足机器人在一般崎岖地形中稳定地行走，本文提出了一种连续静步态的生成方法。在四足机器人的行走过程中，规划其躯干平行于水平地面且以一定的速度连续地向前运动，这样，能够在简化步态生成的同时提高机器人的平均运动速度;通过增加四足支撑相中的重心摆动，机器人稳定性得到有效地提高;另外，本文中给出了摆动足足底运动轨迹规划方法，能够保证摆动足准确地运动至目标落足点。
　　3、当四足机器人使用非连续步态行走时，虽然其平均运动速度较低，但能够获得较高的稳定裕度。本文提出了一种四足机器人非连续静步态的规划方法。该方法包括姿态调整规划、躯干运动曲线规划以及摆动足足底轨迹规划三部分。通过对这三部分的规划，有效地保证了四足机器人在行走过程中的稳定性，进而提高了四足机器人的地形适应性。
　　4、自然地形中往往包含不适于四足机器人落足的区域，当在这类地形上行走时，四足机器人需要使用一种名为自由步态的非周期性的静步态。本文给出了一种连续自由步态的规划方法。基于地形中提前已知的可选落足点位置，四足机器人在行走过程中，能够自主选择迈步顺序，并为摆动足选择最优落足点;通过重心的摆动，四足机器人能够保证其在行走过程中的稳定裕度不小于最小稳定裕度。使用本文中提出的连续自由步态，四足机器人能够自主、稳定、快速地通过包含不可落足区域的崎岖地形。
　　5、通过力控制方法的应用，可以提高四足机器人在行走过程中的步态柔顺性，进而保证四足机器人在崎岖地形上的稳定性。本文着重研究了四足机器人在使用静步态/自由步态行走时的力控制方法，详细分析了基于动力学模型的力控制方法和基于PD的力控制方法，并给出了基于足力分配的力控制方法以及基于阻抗控制的力控制方法。通过这些方法的应用，实现了四足机器人的力控制，使四足机器人获得了更加优秀的性能。

目录

声明

摘要

缩略词注释表

第一章 绪论

1．1 论文选题背景及研究意义

1．2 四足机器人发展现状

1．2．1 国外四足机器人发展现状

1．2．2 国内四足机器人发展现状

1．2．3 四足机器人的发展趋势

1．3 四足机器人步态规划

1．3．1 四足机器人的静步态规划

1．3．2 四足机器人的自由步态规划

1．4 四足机器人静步态行走时的稳定性

1．4．1 增加机器人行走过程中稳定性的方法

1．4．2 提离机器人行走过程中步态柔顾性的方法

1．5 论文主要研究内容及创新点

1．6 论文章节安排

第二章 四足机器人的运动学建模与伺服控制

2．1 引言

2．2 四足机器人的拓扑结构分析

2．3 基于DH方法的四足机器人的运动学建模

2．3．1 四足机器人正向运动学模型

2．3．2 四足机器人雅克比矩阵

2．3．3 四足机器人加速度分析

2．3．4 四足机器人逆向运动学模型

2．4 四足机器人伺服控制方法

2．5 仿真实验

2．5．1 四足机器人仿真模型

2．5．2 仿真实验与数据分析

2．6 本章小结

第三章 四足机器人连续静步态规划

3．1 引言

3．2 四足机器人使用连续静步态行走时的稳定性

3．3 四足机器人的迈步顺序

3．4 四足机器人重心轨迹规划

3．4．1 确定重心轨迹规划中的参数

3．4．2 四足机器人重心轨迹的方程

3．5 摆动足足底轨迹规划

3．5．1 摆动足相对于坐标系{日的摆动轨迹

3．5．2 摆动足相对于坐标系坤}的摆动轨迹

3．6 实验与数据分析

3．7 本章小结

第四章 四足机器人非连续静步态规划

4．1 引言

4．2 四足机器人使用非连续静态时的稳定性

4．3 四足机器人的迈步顾序

4．4 四足机器人姿态调整规划

4．5 四足机器人重心轨迹规划

4．6 摆动足足底轨迹规划

4．6．1 摆动足相对于坐标系{毋的摆动轨迹

4．6．2 摆动足相对于坐标系坤)的摆动轨迹

4．7 实验与数据分析

4．8 本章小结

第五章 四足机器人连续自由步态

5．1 引言

5．2 四足机器人足的编号

5．3 自由步态的事件顺序

5．4 四足机器人的迈步顺序

5．5 四足机器人重心轨迹规划

5．3．1 确定重心轨迹规划过程中的参数

5．3．2 四足机器人重心轨迹的方程

5．6 四足机器人最优落足点的选择

5．6．1 四足机器人腿部里程计

5．6．2 四足机器人最优落足点选择算法

5．7 摆动足足底摆动曲线规划

5．8 连续自由步态的步态流程图

5．9 仿真实验与数据分析

5．10 本章小结

第六章 四足机器人使用静步态时的动力学控制

6．1 引言

6．2 四足机器人动力学建模

6．3 四足机器人足力分配算法

6．3．1 四足机器人力学模型

6．3．2 四足支撑相中的足力分配

6．3．3 三足支撑相中的足力分配

6．4 四足机器人PD控制方法

6．5 四足机器人阻抗控制方法

6．5．1 摆动足的阻抗控制

6．5．2 支撑足的阻抗控制

6．6 仿真实验与数据分析

6．6．1 PD控制算法仿真

6．6．2 基于阻抗控制的足力甩随实验

6．6．3 足力分配算法仿真实验

6．7 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

致谢

读博士学位期间发表的学术论文

发明专利

博士学位期间参加的科研项目