四足机器人主动柔顺及对角小跑步态运动控制研究

摘要

腿足式机器人是移动机器人领域的一个重要分支，与常见的轮式或履带式移动机器人相比，腿足式机器人具有更好的移动灵活性和地形适应能力。其中四足机器人相对于单足或双足机器人运动更加稳定，与六足或更多足的机器人相比结构又更加简单，因此越来越多的学者开始重视四足机器人的研究。
　　四足机器人在运动过程中，其足端与地面之间不可避免地会发生交互作用，加之机器人本身是一个多连杆、强耦合、时变的系统，机器人的运动控制非常复杂。针对上述问题，本文从课题组现有的机器人平台出发，遵循从关节到单腿再到机器人整体运动的研究顺序，控制关节输出力矩，实现腿部的主动柔顺，研究四足机器人对角小跑步态的稳定运动控制。论文的主要研究内容如下:
　　1.针对课题组现有的液压驱动单腿测试平台，给出单腿的运动学与动力学推导过程及结果。建立关节液压驱动器的简化数学模型，并基于该模型控制机器人关节的输出扭矩。在关节扭矩控制的基础上，通过在足端构建虚拟的“弹簧-阻尼”模型，实现单腿的主动柔顺控制。最后借助在单腿测试平台进行的实验验证了控制器的有效性。
　　2.提出一种基于虚拟模型的四足机器人对角小跑(Trot)步态控制方法，主要包括支撑相虚拟模型控制和摆动相虚拟模型控制。在支撑相阶段，建立了作用于躯干质心的虚拟力与对角支撑腿关节扭矩之间的数学关系，通过调整躯干虚拟力的大小控制躯干的高度与姿态，控制机器人前进速度和自转角速度。在摆动相阶段，将机器人侧向速度控制引入到足端轨迹规划中，并通过虚拟的“弹簧—阻尼”元件驱动摆动足沿给定轨迹运动。此外，在控制器设计过程中，引入了状态机，用于监控机器人各腿的状态，并输出对角小跑步态相位切换指令。仿真实验结果表明，机器入能够以Trot步态在平地上进行全方位移动，跨越不平坦地形，并能够抵抗外部冲击。
　　3.在四足机器人Trot步态控制的基础上，基于虚拟模型及在线学习算法实现具有四足腾空相的对角小跑(Flight Trot)步态。通过改变机器人虚拟垂直弹簧的劲度系数调节机器人弹跳高度，通过控制躯干前向虚拟力控制机器人前进高度，通过控制躯干扭矩控制躯干姿态与转向速度。基于LM在线学习算法获得摆动腿落地点，控制机器人侧向速度。在此基础上，根据机器人运动状态设计了摆动足运动轨迹，并引入状态机协调各腿之间的运动。此外，还对Trot步态与FlightTrot步态之间的相互切换进行了研究。仿真实验表明，机器人能够以Flight Trot步态在平地上快速移动，并顺利进行步态切换。
　　4.针对采用位置控制驱动的四足机器人的Trot步态运动设计了一种控制器，建立简化的机器人动力学模型，推导机器人足端运动与躯干姿态角之间的关系，将机器人躯干姿态与运动速度融合到足端运动规划中，并叠加机器人转向运动控制，使机器人能够稳定地以Trot步态运动。该方法的有效性通过仿真实验以及LittleCalf物理样机进行了验证。

目录

声明

摘要

中英文专业名词对照表

第一章 绪论

1．1 论文选题背景及研究意义

1．2 四足机器人研究现状

1．2．1 国外四足机器人研究现状

1．2．2 国内四足机器人研究现状

1．3 四足机器人控制方法研究现状

1．3．1 柔顺运动控制

1．3．2 机器人稳定运动控制

1．4 论文主要研究内容及章节安排

第二章 液压驱动单腿测试平台运动学与动力学建模

2．1 引言

2．2 单腿测试平台概述

2．3 液压驱动器与关节运动映射

2．3．1 液压驱动嚣长度与关节转角映射

2．3．2 液压缸输出力与关节扭矩映射

2．4 单腿运动学

2．5 单腿动力学

2．6 本章小结

第三章 液压驱动单腿实验平台主动柔顺运动控制

3．1 引言

3．2 单腿测试平台控制系统概述

3．3 液压驱动器建模

3．3．1 液压力建模

3．3．2 摩擦力建模

3．3．3 液压驱动器输出力模型

3．4 关节输出扭矩控制

3．4．1 库伦摩擦力补偿项

3．4．2 输出力前馈项与流量补偿项

3．4．3 误差补偿项

3．4．4 控制器设计与模型参数

3．5 单腿主动柔顺控制

3．6 实验

3．6．1 单腿柔顺实验

3．6．2 自由下落实验

3．6．3 连续弹跳实验

3．7 本章小结

第四章 基于虚拟模型的四足机器人对角小跑步态控制

4．1 引言

4．2 四足机器人模型

4．3 支撑相虚拟模型控制

4．3．1 躯干-支撑腿模型

4．3．2 躯干运动控制

4．4 摆动相虚拟模型控制

4．4．1 摆动足运动轨迹规划

4．4．2 摆动腿运动控制

4．5 对角小跑步态控制器设计

4．6 实验验证

4．6．1 平地行走实验

4．6．2 不平坦地面行走实验

4．6．3 侧向冲击试验

4．7 本章小结

第五章 具有四足腾空相的四足机器人对角小跑步态控制

5．1 引言

5．2 Flight Trot模型简化与控制

5．2．1 腾空高度控制

5．2．2 躯干姿态控制

5．2．3 前进速度与自转角速度控制

5．3 基于Levenberg-Marquardt方法的机器人侧向运动速度控制

5．4 摆动腿动作规划

5．5 机器人运动控制

5．6 步态切换

5．6．1 Trot步态向Flight Trot步态切换

5．6．2 Flight Trot步态向Trot步态切换

5．6．3 腿部状态切换图

5．7 实验验证

5．7．1 全方位移动实验

5．7．2 步态切换试验

5．8 本章小结

第六章 位置控制四足机器人对角小跑步态控制器设计

6．1 引言

6．2 躯干姿态控制

6．3 Trot步态控制器

6．3．1 支撑相

6．3．2 摆动相

6．3．3 转向控制

6．4 实验

6．4．1 机器人Trot步态仿真实验

6．4．2 路径跟踪实验

6．4．3 抗侧向冲击实验

6．4．4 LittleCalf机器人实验

6．5 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

附录

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文

攻读博士期间获得的专利

攻读博士学位期间参加的科研项目