六足机器人站立姿态优化及位姿控制策略研究

发布时间：2019-04-27 18:47

【摘要】：随着社会的发展和科技的进步,人们对于机器人的要求不断提高。从最原始的人工移动机器人,到现在的复杂恶劣环境作业机器人,机器人的运动性能是迫切需要提高的部分。相较轮式和履带式机器人,六足机器人在运动范围、运动灵活性、对环境的适应性等方面都更胜一筹。但是由于六足机器人足的数目众多,对其进行运动控制难度较大,因此有必要对六足机器人的自身特性和运动控制方法进行重点研究。本课题以六足机器人为研究对象,主要研究其站立姿态及位姿控制策略,以期提高六足机器人的运动性能。首先以课题组自主研制的六足机器人HITCR为研究对象,进行了运动学分析。推导了单腿正、逆运动学方程,修正了由于机器人球形足端结构带来的运动学偏差,通过仿真验证了修正后运动学方程的正确性。推导了躯干正、逆运动学方程,通过绘制躯干工作空间验证了六足机器人躯干运动学的正确性。接下来对六足机器人HITCR的站立姿态进行了研究。基于机器人站立时的腿部静力平衡分析,获得了关节力矩与关节角度之间的关系,用以衡量不同站立姿态对关节力矩的影响;以六足机器人腿部末端可操纵性为评价指标,得出了腿部末端可操纵性因子与关节角度之间的关系,用以衡量不同站立姿态对机器人腿部灵活性的影响。综合考虑上述两方面,最终为六足机器人HITCR确定出了较为合理的站立姿态。为了提高六足机器人的步行稳定性和对崎岖地形的适应性,推导了六足机器人的动力学方程,结合机器人的静力平衡分析及足端摩擦约束关系,建立了以电机消耗的总功率为优化目标的足力分配优化模型。利用牛顿内点法对上述足力分配模型进行了优化求解。通过仿真算例,证明了本文设计的足力分配优化算法能够减小系统能耗。在此基础上,结合阻抗控制实现了对相应足力的有效调节,从而达到了调整六足机器人位姿的目的。最后,为了说明本文所设计的足力分配算法的可行性,进行了仿真及实物实验。搭建和调试了六足机器人HITCR软件仿真系统。利用仿真平台完成了水平及倾斜地面实验,获得了机器人足力跟踪结果。利用六足机器人HITCR进行了实物实验,获得的实验结果与仿真结果基本吻合,从而验证了本文中所设计的足力分配算法在实际机器人系统中的可行性。
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【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP242

【参考文献】

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本文编号：2467226