四足机器人平面模型小跑步态控制方法及参数配置研究

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四足机器人以其良好的动态性能、较强的环境适应能力成为机器人领域内的研究热点,四足机器人设计理论发展迅速,国内外涌现出一大批经典的四足机器人。四足机器人小跑步态作为常见步态,其控制问题得到各国学者关注。然而,之前的学者并未从控制方法的调控范围、调控效果、控制参数配置等角度进行充分的研究,使得这些控制方法对实际四足机器人的调控能力有限,而且对特定状态调控往往需要大量的实验以确定控制参数。因此,针对四足机器人小跑步态控制方法及其参数配置研究对于实际机器人的调试与控制具有重要的现实意义。  本课题来源于国家高技术研究发展计划(863计划)先进制造技术领域“高性能四足仿生机器人”主题项目(2011AA040701),以四足机器人平面模型作为研究对象,基于动力学特性及动力学方程分析,利用 Matlab软件数值仿真方法,对四足机器人小跑步态控制方法及其参数配置策略进行深入分析。  首先,基于负载弹簧倒立摆模型建立了四足机器人小跑步态平面模型,并在基于动力学行为的三分控制法策略分析基础上建立了系统三方面分解运动简化模型,通过对分解运动简化模型动力学行为特性及动力学方程的研究,设计了三方面分解运动控制,通过控制参数对状态调控效果作用规律,给出了控制参数配置规律。  其次,通过分析三分控制法对四足机器人平面模型小跑步态的控制效果,给出了控制耦合性对系统状态调控带来的影响,进而提出了平面模型多自由度协同控制中三分控制法调整策略及相应参数协调配置策略。在此基础上,深入分析了负载变化及质心偏置对系统状态调控的影响,提出了基于着地相时间参数辨识的负载变化下系统控制方法与通过控制量非对称输出实现质心偏置系统稳定前行的控制方法,给出了控制参数与结构参数的匹配策略,拓展了三分控制法对不同结构参数系统的适用性。  最后,在 Adams环境下建立了四足机器人虚拟样机仿真平台,在三分控制法的研究结果基础上,通过合理补充与完善,设计了四足机器人虚拟样机小跑步态控制策略。基于Adams与Matlab的联合仿真平台,验证了三分控制法及其参数配置策略的有效性。
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