直立型并联腿式救灾六足机器人的机构设计与动态步态控制研究

发布时间：2020-04-14 00:02

【摘要】：步行机器人具有比轮式机械更佳的崎岖路面通过能力,因而在紧急救灾作业领域有着广阔的应用前景。其中,六足机器人因其优良的静态稳定性和冗余容错能力,是理想的移动救灾作业平台。但是,当前六足机器人大多采用仿昆虫的匍匐型姿态和传统的静态步态规划手段,限制了其动态行走性能的提升。本文针对紧急救灾作业任务的实际需求,以仿生学为切入点,研制了一种采用直立姿态和并联腿部构型的大型重载六足机器人,并提出了一种采用多模式主动柔顺控制策略的动态三足交替步态控制方法,提高了该机器人的行走速度、能效和起伏路面上的通过能力。为此,本文对六足机器人的机构构型设计、机构性能优化、步态控制方法、控制稳定性模型,以及步态能耗优化等问题进行了系统研究,主要内容如下所列:1)针对紧急救灾作业需求,提出了一种仿哺乳动物直立型姿态的并联式机器人腿机构构型,并以此构型为基础设计了一款新型大型重载六足机器人。该设计将六足动物的稳定性优势和哺乳动物型腿快速运动的优势结合起来,同时使机器人的关键元件得到集中防护,提高了系统可靠性。2)建立了上述腿机构的运动学模型和动态行走性能模型,给出了腿机构动态行走工况下的综合性能指标,并基于该指标对该腿机构进行了性能优化设计。然后,研制了具有快速动态行走能力的救灾六足机器人样机——HexbotIV,并搭建了其硬件和软件系统。3)提出了一种新的六足机器人三足交替步态控制方法,通过多模式的腿部主动柔顺控制和针对六足三足交替步态的状态机,实现了整个机器人的SLIP动力学,并对身体姿态采用闭环控制,实现了大型重载六足机器人动态三足交替步态的稳定快速行走。通过仿真和样机实验,验证了该步态控制方法的有效性。4)建立了六足机器人动态三足交替步态系统的动力学稳定性模型,将多腿动力学和单腿主动柔顺控制模型纳入稳定性模型中,并对步态控制算法的稳定性进行了分析,揭示了各控制器参数的对其稳定性的影响规律。通过仿真和实验,探究了在地形起伏扰动下机器人动态步态系统的响应过程,验证了本文所提出的步态控制方法在地形起伏扰动下的稳定性。5)对六足机器人样机在动态三足交替步态下的能耗进行了分析。提出了一种在线步态能耗优化算法,通过梯度估计模型避免了模型误差和策略误差的影响,实现了机器人步态参数的在线自动整定,使步态能耗得到显著降低。本文的研究可以为六足机器人的设计和控制提供有价值的参考,为高性能移动救灾作业机器人的实用化打下基础。
【图文】：

六足机器人

控制、自由步态、监督控制等多方面的研究[19, 21-23]。1983 年，美国 Odetics 公司推出ODEX I 型机器人[24]（图 1-1(c)），并在 1986 年研制了其后续版本 Robin[25]，旨在代替人完成核电站的部分作业任务。1985 年，俄亥俄州立大学进一步研制了 AdaptSuspension Vehicle（ASV）大型重载机器人[26-28]。该机器人采用内燃机和液压系统驱动尺寸达到了 5.2m×2.4m×3.0m，自重 2.7 吨，承载约 220kg，由一个驾驶员操纵其行走（1-1(d)）。日本港湾技术研究所于 1985 年研制了 AQUARobot 水下六足机器人[9]（图1(e)），用于海底地形探测和海底施工监测。(a) Masha[17](b) OSU Hexapod[19]

六足机器人

从而帮助机器人完成复杂的步行动作。1995 年，德国慕尼黑工业大学研M 步行器[31]（图 1-2 (a)）。该机器人总重 18kg，采用仿竹节虫构造的细长型腿高的载荷能力。另一方面，大型机器人的研究也在继续。1989 年，美国卡耐基研制了一款用于行星探测的六足步行机器人 Ambler[7, 32, 33]（图 1-2 (d)），尺寸4.5m×5m。Ambler 的腿部采用了 SCARA 构型。六条腿分为两组，，每组中的三一个关节在同一轴线上，使其可以灵活选择落脚点。Katherina[34]（图 1-2(e)）劳恩霍夫协会研制的正六边形布局六足机器人，可以执行钻孔等作业任务。(a) TUM Walking Machine[31](b) Genghis[29]
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP242

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