六足机器人梅花桩行走步态研究

摘要

随着人类社会与科学技术的不断发展进步以及人类对航空航天、海底资源探测、核辐射环境作业、抢险救灾、军事侦察等具有危险性领域的需求不断增加，针对不同的需求环境制造出不同种类并且能够高效移动的机器人已经成为当今社会的迫切需要。六足机器人作为一种典型的足式机器人，其腿部具有冗余自由度、离散的落足点和丰富的步态，能够根据不同的环境采取不同的运动方式，在部分腿受损伤时依然能够维持其部分运动能力。六足机器人对各种非结构环境的适应能力使其成为当今研究的热点之一，同时也将会为社会带来极其重要的意义与价值。　　目前，六足机器人在非结构环境下的步态研究仍处于发展阶段。本论文把非结构环境抽象为梅花桩，开展六足机器人行走梅花桩的步态研究。本文首先从六足机器人的性能要求入手，分析并选择了六足机器人的机身布局方式；根据轻量化、结构紧凑等要求对六足机器人各腿进行设计，并选取同步带传动的方式作为六足机器人的传动系统，完成了六足机器人的样机研制。　　通过D-H(Denavit-Hartenberg)参数法，对六足机器人进行了腿部的正逆运动学求解，获取各关节、机身、地面的坐标转换关系，并使用数值分析软件获取足端工作空间。采用SSM(Static Stability Margin)静态稳定分析法和FASM(Force-Angle Stability Measure)动态稳定判定法，对六足机器人进行了静态稳定分析与机器人在梅花桩上的运动稳定性分析。　　基于三足步态，对六足机器人进行梅花桩落足点选择策略分析，提出了基于落足点选择的运动稳定策略。通过强化学习对六足机器人进行梅花桩行走训练，获取机器人机体质心从起点到目标点的运动轨迹。采用马尔科夫决策过程对六足机器人进行梅花桩行走步态设计，以选取六足机器人的梅花桩行走步态。最终完成机器人在梅花桩上行走的运动规划。　　最后分别基于强化学习和人工试错的方法建立动力学仿真平台，对六足机器人进行平面梅花桩和三维梅花桩行走仿真。通过分析机器人质心位移、足端受力以及各关节转角随时间的变化曲线，对本文的样机设计以及提出的落足点选择策略进行验证，并得出结论。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题的来源

1.2 研究背景与意义

1.3 六足机器人国内外总体研究现状

1.3.1 六足机器人国内研究现状

1.3.2 六足机器人国外研究现状

1.3.3六足机器人研究现状总结

1.4 六足机器人在非结构环境中的仿真及行走实验研究现状

1.4.1 国内六足机器人在非结构环境中仿真及行走实验研究现状

1.4.2国外六足机器人在非结构环境中仿真及行走实验研究现状

1.4.3六足机器人在非结构环境中行走仿真及实验研究现状总结

1.5 基于强化学习的足式机器人运动规划国内外研究现状

1.6 文章主要研究内容

2 六足机器人样机设计

2.1 引言

2.2 一号样机机体结构设计

2.3 一号样机单腿结构设计

2.3.1 六足机器人的驱动系统设计

2.3.2 六足机器人腿部传动系统设计

2.3.3 足端结构设计

2.4 一号样机整机模型设计

2.5 二号样机结构及尺寸参数设计

2.6 本章小结

3 六足机器人运动学及稳定性分析

3.1 引言

3.2 机器人运动学分析方法

3.3 六足机器人运动学分析

3.3.1 六足机器人正运动学分析

3.3.2 六足机器人逆运动学分析

3.4 六足机器人足端运动空间分析

3.4.1 足端运动空间求解方法

3.4.2 基于仿真的工作空间求解

3.5 六足机器人稳定性分析

3.5.1 六足机器人重心计算

3.5.2 SSM静态稳定裕度

3.5.3 FASM稳定分析方法

3.6 本章小结

4 六足机器人梅花桩行走步态规划

4.1 引言

4.2 步态生成方法

4.3 梅花桩地形环境分析及仿真环境建立

4.3.1 梅花桩地形分析

4.3.2 强化学习仿真环境建立

4.4落足点三角形选择策略

4.5 基于强化学习的六足机器人质心轨迹规划

4.5.1 马尔科夫决策过程的一般描述

4.5.2深度强化学习算法概述

4.5.3 六足机器人梅花桩行走机身质心全局路径规划

4.6 本章小结

5 六足机器人梅花桩行走仿真分析

5.1 引言

5.2 六足机器人仿真模型的建立

5.2.1 梅花桩行走方式选择

5.2.2 机器人样机构建

5.2.3 梅花桩仿真地形构建

5.2.4 仿真环境配置

5.3 六足机器人梅花桩行走仿真

5.3.1 梅花桩仿真概述

5.3.2 一号样机平面梅花桩行走仿真

5.3.3 一号样机三维梅花桩行走仿真

5.3.4 基于强化学习的二号样机平面梅花桩行走仿真

5.4 本章小结

总结与展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果