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随着人类科技应用和探索自然步伐的进一步深入,对机器人的移动能力也提出了越来越高的要求,要求其能够在复杂的地形环境下自主运动。与轮式或履带式机器人相比,腿足式机器人具有克服障碍和适应复杂地形的能力,可作为多自由度的移动承载平台,在非结构化地形完成移动任务。本文以六足机器人作为研究对象,针对六足机器人在复杂环境下的移动控制问题,研究六足机器人系统的高适应性运动规划算法与控制方法框架,力求实现基座运动与足端运动协调控制与多任务运动规划。按照从机器人结构配置到六足机器人步态、运动规划再到六足机器人整体控制的递进关系展开研究,主要研究内容如下:
1.针对机器人可行腿部配置和腿部仿生构型,对两种仿生构型进行了运动学分析,并通过快速运动工况下的仿真分析,结合转矩和功率需求,给出了腿部配置方式和构型选择。进而研究了六足机器人的步态规划和坡面适应策略。仿真实验表明,坡面适应策略可以有效的提高机器人在倾斜地形下静稳定裕度,进而提高了机器人在倾斜地形下的稳定性和行走能力。
2.为提高了机器人对环境的适应能力和在复杂环境下的移动能力,采用基于躯干位置与落足点最优分配算法的全身运动规划方法。基于二次规划,以躯干运动稳定性、关节工作空间限制作为不等式约束,躯干位置和落足点作为决策变量,依据任务优先级,实现了躯干位置与落足点的最优分配。仿真实验表明,通过调整任务优先级权重,可以在运动任务冲突时优先执行优先级高的运动任务,实现了实现躯干与摆动足末端的协调运动。
3.针对位置控制带来的足地冲击力大、无法适应复杂地形的缺点,介绍了基于足力优化分配的六足机器入主动柔顺控制方法。支撑相采用基于躯干虚拟模型的足力优化分配方法,采用二次规划,将躯干质心虚拟力分配到支撑足,得到最优足底力。摆动相通过在摆动足与期望足端位置之间增加虚拟模型,得到足端三维虚拟力,并通过状态机实现摆动相与支撑相之间的平滑切换。整个控制方法的有效性通过在不同地形下的仿真实验得到了验证,机器人即使在不平坦地形和和斜坡上遭受意外的扰动时也能保持良好的机动性、稳定性和鲁棒性。
1.针对机器人可行腿部配置和腿部仿生构型,对两种仿生构型进行了运动学分析,并通过快速运动工况下的仿真分析,结合转矩和功率需求,给出了腿部配置方式和构型选择。进而研究了六足机器人的步态规划和坡面适应策略。仿真实验表明,坡面适应策略可以有效的提高机器人在倾斜地形下静稳定裕度,进而提高了机器人在倾斜地形下的稳定性和行走能力。
2.为提高了机器人对环境的适应能力和在复杂环境下的移动能力,采用基于躯干位置与落足点最优分配算法的全身运动规划方法。基于二次规划,以躯干运动稳定性、关节工作空间限制作为不等式约束,躯干位置和落足点作为决策变量,依据任务优先级,实现了躯干位置与落足点的最优分配。仿真实验表明,通过调整任务优先级权重,可以在运动任务冲突时优先执行优先级高的运动任务,实现了实现躯干与摆动足末端的协调运动。
3.针对位置控制带来的足地冲击力大、无法适应复杂地形的缺点,介绍了基于足力优化分配的六足机器入主动柔顺控制方法。支撑相采用基于躯干虚拟模型的足力优化分配方法,采用二次规划,将躯干质心虚拟力分配到支撑足,得到最优足底力。摆动相通过在摆动足与期望足端位置之间增加虚拟模型,得到足端三维虚拟力,并通过状态机实现摆动相与支撑相之间的平滑切换。整个控制方法的有效性通过在不同地形下的仿真实验得到了验证,机器人即使在不平坦地形和和斜坡上遭受意外的扰动时也能保持良好的机动性、稳定性和鲁棒性。