六足机器人行走步态的协调控制研究

摘要

六足机器人由于具有高阶、强耦合、多变量和非线性等显著特点，被普遍应用于代替人类在地震救灾、水下搜寻或者太空任务等方面执行一些特殊的任务，这样不仅可以解放人类，还大大提高了执行效率。本文针对智能机器人搭载机械臂在皮江法炼镁工艺过程中，进行还原罐的排渣工序操作，着重研究六足机器人的智能平台，通过模仿自然界哺乳动物与六足纲昆虫的原理机制，设计仿生六足机器人的整体结构，针对设计的六足机器人模型研究其步行位姿控制技术，实现六足机器人在移动过程中的协调控制，完成机器人在还原罐与废渣处理中心的自由移动，适用于卧罐或立罐。
　　本文具体的研究内容有:首先分析多足机器人的国内外研究现状以及智能化控制方法，确定了六足机器人的运动控制利用中枢模式发生器的方法进行。针对论文的目标要求，设计了六足机器人的结构模型以及确定了机器人相应的腿部与躯干等特征参数，并利用D-H参数法进行机器人腿部正逆运动学的分析;描述六足机器人的足端工作空间，并用蒙特卡洛的方法进行了足端工作空间的三维显示。介绍六足机器人的基础知识与典型步态，在机器人腿部运动学分析的基础上，采用多项式插值的方法结合机器人的稳定性条件研究规划机器人支撑相与摆动相的足端轨迹，完成六足机器人的运动规划。
　　六足机器人的协调控制采用Hopf神经振荡器为基本单元，分析其振荡器表达式方程参数对输出状态的作用，研究机器人协调运动腿间与腿内关节控制曲线与改进Hopf振荡器输出波形的映射关系，利用改进Hopf振荡器方程的可调性控制机器人实现不同的步态的任意切换，利用机械系统动力学软件ADAMS与MATLAB联合搭建六足机器人的控制系统，在ADAMS中完成六足机器人的机械建模后，在MATLAB/Simulink中负责构建基于CPG的机器人腿部控制节律信号，利用其独特的ADAMS/Control接口实现二者的联立，实现了机器人的仿真运动。仿真实验结果表明，利用CPG可以控制六足机器人以三角步态完成协调稳定的行走，验证了六足机器人结构设计的合理性以及所设计CPG模型的有效性与可行性，同时机器人的腿部运动符合动物腿部运动规律，为之后将CPG算法应用到六足机器人的物理样机实验与研究提供保障。

目录

摘要

1．1 课题研究背景与意义

1．2 多足机器人的研究发展

1．2．1 国外多足机器入的研究发展

1．2．2 国内多足机器人的研究发展

1．2．3 多足机器人研究的关键问题

1．3 六足机器人的步态控制策略

1．4 论文主要研究内容与章节安排

1．4．1 论文的主要研究内容

1．4．2 论文章节安排

2．1 引言

2．2 六足机器人结构设计

2．3 腿部运动学分析

2．3．1 D-H模型的建立与表示

2．3．2 单腿正运动学研究

2．3．3 单腿逆运动学研究

2．3．4 六足机器人腿部速度研究

2．4 机器人足部工作空间研究

2．4．1 工作空间的定义与求解

2．4．2 蒙特卡洛数值分析法

2．5 本章小结

3 六足机器人运动步态规划

3．1 引言

3．2 步态规划的基本原理

3．2．1 步态基本参数

3．2．2 典型步态分析

3．2．3 机器人自由度研究

3．3 六足机器人足端轨迹规划研究

3．3．1 摆动腿的足端轨迹规划

3．3．2 支撑腿的足端轨迹规划

3．3．3 单腿各关节转角变量的计算

3．4 步态稳定性研究

3．4．1 静态稳定性分析

3．4．2 稳定裕量的求解

3．4．3 动态稳定性分析

3．5 本章小结

4 基于CPG的六足机器人步态生成

4．1 引言

4．2 CPG生物运动控制机理分析

4．2．1 动物腿部关节运动规律

4．2．2 CPG在机器人中的应用

4．2．3 CPG振荡单元模型的选择

4．3 CPG步态控制结构构建过程

4．3．1 CPG控制器的设计思绪

4．3．2 Hopf振荡器的改进模型

4．3．3 典型的参数调节方法及特性分析

4．4 Hopf振荡器的参数整定

4．4．1 研究幅值K对输出状态的影响

4．4．2 研究收敛速度λ对输出状态的影响

4．4．3 研究不同占空比η于输出波形的影响

4．4．4 研究ω的取值对状态曲线的作用

4．4．5 研究转换速度b对输出曲线的影响

4．4．6 研究外部反馈f1,f2对输出波形的影响

4．5 CPG拓扑结构及关节控制设计

4．5．1 构建CPG网络组织

4．5．2 腿间协调控制研究

4．5．3 腿内关节耦合设计

4．6 本章小结

5 六足机器人的联合仿真控制系统

5．1 引言

5．2 虚拟样机ADAMS技术

5．3 六足机器人仿真研究

5．3．1 机器人三维模型的搭建

5．3．2 联合仿真研究

5．4 联合仿真分析

5．5 本章小结

6 结论

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

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