复杂地形环境四足机器人运动控制方法研究与实现

摘要

地球陆地表面有一半以上的面积为崎岖地形，包括山地、沼泽、沟壑等，在这些地形无法使用传统的轮式或履带式机构进行移动，因而在这些地域的地形勘测、工程探险、军事侦察等任务难以使用传统移动机器人完成。然而许多陆生动物能够在这些崎岖地形灵活奔跑跳跃，这给予人类以下启发:腿足移动方式在崎岖地形具有极大优势。
　　大自然中的生物千千万，而大型陆生动物绝大多数都是四足动物，这说明在漫长而又残酷的优胜劣汰过程中，四足动物获得了大自然的认可，逐渐发展壮大并繁衍至今。猎豹能高速奔跑，山羊能在峭壁上如履平地，骆驼能长期在严酷环境下负重行走，四足移动方式的优势不言而喻。
　　目前腿足式机器人按照腿的数量主要分为单足、双足、四足、六足、八足等，其中四足形式因为拥有比双足更强的稳定性和比六足、八足更简单的机构而广受重视，这与大自然的选择完全一致，更坚定了人们研究四足机器人的决心。
　　本文通过研究四足机器人的结构和步态，提出了一系列的控制方法，主要包括以下几方面内容:
　　1、对于移动机器人来说，移动是机器人的基本功能;对四足机器人来说，在保持稳定的情况下实现快速、灵活的移动则是机器人控制的重中之重。本文提出一种基于振荡合成的运动控制方法，首先将机器人在平面内的运动解耦为前后移动、左右移动和自转运动，然后对三个方向上的速度进行独立控制，再通过轨迹合成获得最终足端轨迹，实现了机器人的全方位移动。
　　2、斜坡是一种常见地形，当机器人在斜坡上移动时，质心在支撑多边形内的位置会向斜坡下方偏移，从而影响机器人的对称性，降低行走稳定性。本文通过对机器人进行运动学分析，采用坐标映射的方式调整足端位置，在不影响步态规划的情况下完成对坡度的自适应，将平面内的全方位移动方法扩展到任意斜面，实现了机器人在斜面上的“如履平地”。
　　3、除了平地和斜坡外，自然界中有各种各样的崎岖地形，如何在非结构崎岖地形下稳定移动，这是四足机器人运动控制中的重点和难点。本文使用触觉对非结构化地形进行实时探测，将机器人运动解耦为基本步态规划、质心位置调整、姿态调整三个部分，通过多个任务协调实现机器人的稳定移动。最后在一个破损的楼梯上进行测试，机器人在对环境无任何先验知识的情况下顺利爬上楼梯，展示出良好的稳定性和崎岖地形移动能力。
　　4、以上均为通过规划足端位置实现机器人的移动控制。除此以外，本文还研究了在力控制模式下的对角腿站立稳定控制问题。目前大多数腿足式机器人的稳定依赖于大脚掌、多足支撑或连续跳跃，而本文将机器人在对角腿支撑状态的控制解耦为三部分并分别控制，使用线性二次型调节器(Linear QuadraticRegulator, LQR)和虚拟模型控制(Virtual Model Control，VMC)等方法保持各部分的稳定，使机器人在仅用两条腿支撑，足地间为点接触且不需要跳跃的情况下实现了稳定站立，在仿真中机器人成功抵抗了姿态扰动、扭转扰动甚至侧向扰动，证明了该控制方法的有效性和强稳定性。

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 四足机器人的稳定性评价方法

1．4 四足机器人的步态

1．4．1 四足机器人的静步态

1．4．2 四足机器人的动步态

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与动力学建模

2．1 引言

2．2 基于MDH方法的四足机器人的运动学建模

2．3 基于Lagrange方法的四足机器人动力学建模

2．4 本章小结

第三章 四足机器人在平面内的全方位移动控制方法

3．1 引言

3．2 四足机器人前进时的足端轨迹规划

3．3 基于Trot步态的四足机器人全方位移动控制方法

3．4 基于足端运动速度估计的步程计设计

3．5 仿真验证

3．6 实验验证

3．7 本章小结

第四章 四足机器人在斜坡上的移动控制方法

4．1 引言

4．2 四足机器人的姿态控制与支撑位置调整策略

4．3 实验验证

4．4 本章小结

第五章 基于静步态的崎岖地形移动控制方法

5．1 引言

5．2 四足机器人的触地状态感知

5．3 四足机器人的行走控制方法

5．3．1 四足机器人的主步态

5．3．2 四足机器人质心位置调整策略

5．3．3 四足机器人躯干姿态调整策略

5．3．4 四足机器人腿长度调整策略

5．4 仿真验证

5．5 实验验证

5．6 本章小结

第六章 四足机器人对角腿站立状态的平衡控制方法

6．1 引言

6．2 双足模型的平衡控制

6．2．1 双足模型的坐标系

6．2．2 双足模型的动力学模型

6．2．3 双足模型的闭环稳定控制

6．3 六自由度对角模型的平衡控制

6．4 腿部关节配置的调整

6．5 仿真验证

6．5．1 双足模型的仿真

6．5．2 六自由度对角模型的仿真

6．5．3 四足机器人对角腿站立模型的仿真

6．5．4 加入噪声后的四足机器人对角腿站立模型仿真

6．6 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

攻读博士学位期间发表的学术论文

发明专利及软件著作权

攻读博士学位期间参加的科研项目

连续不规则台阶环境四足机器人步态规划与控制