【摘 要】
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仿生六足机器人机体结构具有关节自由度数量多,腿间耦合性强的特点,在军事运输、灾后救援和空间探索中具有重要的意义,然而由于其机体结构关节自由度数量多和腿间耦合性强等
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仿生六足机器人机体结构具有关节自由度数量多,腿间耦合性强的特点,在军事运输、灾后救援和空间探索中具有重要的意义,然而由于其机体结构关节自由度数量多和腿间耦合性强等特点,给运动控制带来了困难。基于传统机器人运动学和动力学建模的方法,过度的依赖机器人本体和环境的建模,并且建模的过程复杂,运动学与动力学的计算结果也难以准确的应用到机器人运动控制中。因此,基于传统建模的机器人运动控制方法不仅工作量大,并且也不利于六足机器人实时性的步态控制。针对以上的问题,本文选择了基于中枢模式发生器(Central Pattern Generator,CPG)的仿生运动控制方法。基于CPG的机器人运动控制方法通过模拟自然界中节律爬行动物的步态生成方式进行多足机器人步态的生成。基于CPG的仿生运动控制方法不依赖于复杂的多足机器人建模过程,具有控制结构简单、实时性强和步态输出多样化的特点。本文主要研究工作有:首先,本文通过模仿六足爬行动物竹节虫的身体结构,设计了仿生六足机器人机体样机,结合竹节虫腿部结构和常见六足机器人机体重心高的问题,设计了一种新型四连杆仿生六足机器人腿部结构。该结构利用四连杆传动将常见六足机器人腿部的裸关节进行替代,在不降低机器人机体自由度数量的情况下,减少了仿生六足机器人的关节数量,降低了仿生六足机器人的机体重心。其次,建立了基于Hopf振荡器的仿生六足机器人CPG控制模型,通过单一参数整定法对Hopf振荡器的稳定性和波形输出进行了详细研究。结合本文设计的仿生六足机器人腿部关节特点,对于Hopf振荡器模型进行改进,引入步态权重矩阵,通过建立环状CPG网络拓扑结构,实现了机器人六条腿之间控制信号相位差的锁定。最后通过建立映射函数的方法,将仿真模型的输出结果进行步态应用。针对仿生六足机器人在进行CPG运动控制步态行走时,机器人的步态运动控制为开环系统的问题,设计并搭建了由树莓派、二维激光雷达和激光测距传感器组成的仿生六足机器人运动感知系统。通过在树莓派主机上搭建基于ROS(Robot Operating System)的机器人操作系统,并在系统中运行Hector建图算法,将机器人所处环境的实时地图进行显示,并结合激光测距传感器在运动过程中进行障碍物避障。最后,本文搭建了仿生六足机器人实验样机平台,对CPG模型的步态输出和感知系统的设计进行了验证。实验表明,基于CPG模型的步态输出实验效果较好,机器人能够按照模型中设定的步态形式行走,并且在行走过程中能够做到对障碍物的避障和对周围环境二维地图的构建。实验结果验证了文中的CPG控制方法和感知系统设计的正确性以及应用到实际运动控制过程中的可行性。
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