【摘 要】
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腿足式机器人是移动机器人领域研究热点之一。目前对于腿足式机器人的主流的驱动方式为液压和电机,相比于液压,电机驱动的四足机器人具有力矩响应快、轻便、节能、噪声小等优点,具有更好的商业应用价值。近年来,随着人工智能和仿生学的快速发展,腿足式机器人在进行高速动步态奔跑时控制系统需要具备较高的控制频率,所以系统具备可靠的实时性能有重要的意义。国内腿足式机器人取得了不错的成就,但要实现机器人像动物般高速奔跑
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腿足式机器人是移动机器人领域研究热点之一。目前对于腿足式机器人的主流的驱动方式为液压和电机,相比于液压,电机驱动的四足机器人具有力矩响应快、轻便、节能、噪声小等优点,具有更好的商业应用价值。近年来,随着人工智能和仿生学的快速发展,腿足式机器人在进行高速动步态奔跑时控制系统需要具备较高的控制频率,所以系统具备可靠的实时性能有重要的意义。国内腿足式机器人取得了不错的成就,但要实现机器人像动物般高速奔跑,一直是研究者们追求的目标。为实现动物般高速奔跑,腿足式机器人在仿生足端轨迹和高速动步态算法的应用上仍然还需进一步的研究。本文基于课题组正在搭建的电驱动四足机器人实验平台为研究对象,在开源动力学软件Webots中搭建单腿及四足机器人模型,研究具有高速运动性和仿生特性的四足机器人并进行了仿真实验的验证及结果分析。为实现四足仿生机器人的高速运动的目标,本文从高实时性控制系统、仿生足端轨迹和高速动态步规划这三个方面研究电动四足机器人,主要研究内容如下:（1）对机器人的腿部机械设计进行了简要介绍,并对单腿及四足机器人进行了运动学和动力学的推导分析。腿部设计符合低惯性和轻质化的特点,在电流环测量力矩的基础上,腿部采用准直驱的作动方式,通过低传动比的减速器在高带宽下实现电机的电流控制。（2）对电驱动四足机器人的单腿控制系统进行了设计,包括硬件及软件系统。硬件系统以嵌入式工控机作为主站,三个关节伺服控制器作为从站。基于EtherCAT通信的系统架构,采用QNX系统,使机器人可完成复杂的硬实时任务。通过实验验证表明了本控制系统具有高效实时的通信方式,可拓展到四足机器人系统中。（3）对电驱动四足机器人的单腿建立了仿真模型,基于虚拟模型的柔顺控制下,规划出了符合本课题需求的高速足端仿生轨迹曲线,提高了高速运动时的仿生特性。通过仿真分析,完成了单腿前向跳跃稳定性的研究。（4）基于单腿前向跳跃柔顺控制和仿生足端轨迹优化,提出了两种可行性的高速动步态的控制方法:高速对角小跑和疾驰奔跑控制方法。通过方案对比,基于VMC和QP的算法下,疾驰步态控制方法实现了机器人高速奔跑的目标。通过对离地状态变量进行规划控制和仿生足端轨迹曲线的优化,使得四足机器人具备高速的运动性能和良好的躯干稳定性。
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