基于冲击阻抗能量裕度算法的六足机器人运动失稳控制方法

摘要

六足机器人在崎岖地形上运动时，不仅需要确保机器人实时的运动稳定性，同时在突发情况下发生失稳时，应采取相应的措施以恢复其稳定，避免对机体造成损坏。本文针对六足机器人在崎岖地形下运动时的稳定性判定和失稳恢复策略问题进行深入研究与分析，建立相应的稳定性判定方法，并提出失稳调整策略。
　　首先，分析了六足机器人的结构和运动特点，并在建立的六足机器D-H数学模型的基础上对腿部进行正逆运动学分析，以及利用雅克比矩阵对六足机器人末端速度以及关节角速度进行求解，同时对六足机器人进行了动力学分析，其中包括:系统动能、系统势能以及关节驱动力矩。
　　接着，在六足机器人运动学分析的基础上，对典型的六足机器人稳定性判定方法进行对比分析，并根据其优缺点采用规范化能量稳定裕度作为六足机器人的静态稳定性判定依据。分析了实时重心、重心高度、足行程、斜面坡度对六足机器人静态稳定性的影响程度，为六足机器人的步态规划及结构设计提供了理论依据。
　　然后，在六足机器人静态稳定性分析的基础上，针对六足机器人在崎岖路面行走时，易受到外力干挠而发生倾覆失稳的问题，提出一种考虑外力、重心位置、支撑面倾角、运动特性以及机器人阻抗特性的动态稳定性分析方法，并建立了基于冲击阻抗能量稳定裕度的动态稳定性判据数学模型。分析了各种干扰因素对六足机器人动态稳定性的影响。
　　最后，针对边线倾翻失稳情形，建立了调整腿可达空间的解析解，并以力臂最大化原则选择合适的落脚点。采用多项式曲线插值的方式，在可用调整时间范围内，对调整过程进行了柔顺处理，以恢复六足机器人的运动稳定性。通过实验与仿真对比分析验证了算法的有效性，同时通过Adams-Simulink联合仿真分析，验证了失稳调整策略的实时性。

目录

声明

摘要

1．1 课题来源

1．2 课题研究的目的和意义

1．3 国内外六足机器人研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．3．3 机器人稳定控制问题

1．4 本论文的主要研究内容

2．1 引言

2．2 六足机器人整体结构分析

2．3 六足机器人运动学分析

2．3．1 六足机器人位姿描述

2．3．2 腿部D-H模型的建立及正运动学分析

2．3．3 单腿逆运动学分析

2．3．4 机器人足端速度及关节角速度分析

2．3．5 机器人运动学验证

2．4 六足机器人的动力学分析

2．4．1 机器人系统动能分析

2．4．2 机器人系统势能分析

2．4．3 机器人拉格朗日动力学模型

2．4．2 机器人动力学验证

2．5 本章小结

第3章 六足机器人静态稳定性研究

3．1 引言

3．2 六足机器人稳定性描述

3．2．1 机器入静态稳定性判定方法

3．2．2 机器人动态稳定性判定方法

3．3 六足机器人静态稳定性分析

3．3．1 实时重心对机器人稳定性的影响

3．3．2 重心高度及足行程对机器人步行稳定性的影响

3．3．2 斜面坡度对机器人静态稳定性的影响

3．4 本章小结

第4章 基于阻抗特性的六足机器人动态稳定性研究

4．1 引言

4．2 基于冲击阻抗能量稳定裕度的动态稳定性判据数学建模

4．2．1 机器人系统阻抗系数C、刚度KS的测定

4．2．2 阻抗特性对动态稳定性的影响

4．2．3 角速度和力矩对动态稳定性的影响

4．2．4 横向与纵向冲击对动态稳定性的影响

4．2．5 斜面坡度对机器人动态稳定性的影响

4．3 本章小节

5．1 引言

5．2 六足机器人倾翻失稳调整策略

5．2．1 六足机器人主要倾翻失稳类型

5．2．2 调整腿足端可达工作空间

5．2．3 调整腿的落脚点选择

5．2．4 调整过程的柔顺处理

5．2．5 机器人初始姿态规划调整

5．2．6 运动失稳控制流程图

5．3 本章小节

第6章 六足机器人虚拟样机仿真与实验研究

6．1 引言

6．2 六足机器人动态稳定裕度判定算法实验验证

6．2．1 ADAMS虚拟样机建模

6．2．2 仿真与实验对比

6．3 六足机器人运动失稳控制仿真验证

6．3．1 联合仿真平台搭建

6．3．2 仿真验证

6．4 本章小节

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果