面向非结构化地形的六足步行机器人运动规划研究

摘要

六足步行机器人相对于其它类型的机器人具有更强的地形适应性,能够适应复杂的非结构化地形,在工程探险、军事侦察、灾难救场等方面具有广泛的用途。本文结合非结构化环境的地形特征,从整体上对六足步行机器人的运动规划进行了分析研究。
　　 首先,本文从非结构化地形的构建入手,对非结构化环境进行了全局地貌特征和局部地貌特征的分析,将特征描述和拓扑表示两个方面相结合,建立了适合本文所需的非结构化地形模型。其次,在对非结构化地形进行建模之后,通过采用统一参考坐标系的方法建立了六足步行机器人的运动学数学模型,对站立腿和摆动腿分别进行了正逆运动学分析,并对机器人的运动速度及加速度进行了公式推导,为以后进行的各种运动规划奠定理论基础。接着,在非结构化地形和运动学模型都建立好的基础上,对机器人在运动过程中所采用的步态进行了优化分析,设定了适合非结构化地表行走的三角步态和四边形步态,这两种步态首先保证了机器人运动过程中的稳定性,同时根据足端优先级的先后顺序运动,提高了运动效率。在稳定性的分析中,采用能量稳定裕度方法,忽略惯性力矩和外力矩的影响,分别对平缓和崎岖的非结构化地形进行了仿真分析。在路径和机器人运动学条件的约束下,对机器人足端轨迹采用类抛物线轨迹,这样既节省了时间、减少了消耗,又保证了机器人机体与地表不发生干涉,保证了运动的连续性;在有限的距离内,对机器人运动轨迹规划,使之能在这个过程中完成上下坡运动、左右转弯、避障以及直线运动等各种运动形式。在控制过程中,通过I/O口输入输出信号的准确性,保证机体和足端在运动过程中的协调统一。最后,通过仿真研究,验证了六足机器人在非结构化地形下运动规划的有效性,为六足步行机器人在非结构化地形下的进一步研究提供了理论参考。