【摘要】：六足机器人由于其自身高承载状态下的稳定性能以及应对极限环境时的运动能力,相较于其他类型的移动机器人,其在灾害救援、工程勘探以及野外运输等领域内具有更广阔的应用前景,由此也吸引了诸多专家学者的广泛关注。目前,摆在研究人员面前的关键问题在于,现阶段针对六足机器人所开发的自主控制算法还无法保证其在复杂多变的真实场景中自如行走。另一方面,若完全交由操作者对机器人本体内每一个自由度进行单独操控的话,无形中又会增加操作者的操控负担,起到适得其反的效果。通过分析现有技术手段,面向多种工况条件对于六足机器人可控性以及适应性的实际需求,开发具有一定自主能力的人在环协同操控系统可被视为是解决这一问题的有效手段。本文首先考虑在平坦地形下如何实现六足机器人稳定、高效的双向操控。针对六足机器人原理样机进行本体构型分析,考虑主从端工作空间的不匹配问题,提出半自主控制策略并确定主端位置-从端速度的映射方案。规划六足机器人底层运动控制算法,通过跟踪机体期望速度与实际速度的差值设计系统控制律,并将速度差以触觉力的形式反馈给操作者,再根据无源性准则求解控制律参数的合理范围。最后,基于Vortex多体动力学软件所开发的虚拟仿真模型和Novint Falcon实物力反馈设备创建半物理仿真实验系统并进行相关实验,验证本文所提出平坦地形下六足机器人半自主双向触觉操控方法的有效性,且能够保证系统具有较好的位置-速度跟踪性能。针对松软地形下的六足机器人双向操控问题,本文首先研究机器人在与地面进行动态接触时的足-地作用机理。其中柔性足与松软地面相互作用时所产生的足底滑移现象,导致环境端将作为一个输入有源系统向从端系统注入额外的能量。此时,六足机器人操控系统的无源性将无法满足。因此本文根据法向及切向维度内的足-地接触力学模型分析环境系统所表现出的潜在有源性,通过设计时域无源性控制算法实时补偿足底滑移所造成的机体速度-加速度损失,以此保证松软地形下六足机器人操控系统的稳定性。基于已有的半物理仿真平台验证所提出的控制方法能够改善松软地形下六足机器人双向触觉操控系统的持续跟踪能力。针对崎岖地形下六足机器人的多维度操控问题,本文在半自主控制模式的基础上设计可协同调控机体速度-位姿的二维操控方法。建立腿部的等效弹簧阻尼模型,考虑复杂多变的足底界面所导致的机体波动,提出一种基于变形协调补偿以及切向力最优分配的足力优化方法,采用虚拟阻抗控制实现动态跟踪目标足力的柔顺调节机制。根据虚拟悬架模型设计机体位姿层的双向控制器,通过无源性定理证明所设计操控系统的稳定性以及力透明度。在原有半物理仿真实验平台上进行多主单从操控模式的扩展,验证所提出操控方法在全方位运动和位姿波动补偿过程中均能够保证系统稳定的跟踪性能,且操作者可较好的感知从端机器人的运动状态以及作用在机体上的环境力。在障碍地形下,本文提出一种可协同调控机体平移量与单腿位移量的双向触觉操控方法,能够在保证机体稳定裕度的同时提升六足机器人与环境交互的能力。通过将六足机器人可操作腿等效成串联机械臂,将机体的平移等效成并联动平台,并进行耦合效应分析,建立单腿操作的整机运动学模型以及可操作腿的动力学模型。分别设计机体层和单腿层的操控方案,为了消除耦合作用对于机体平移的扰动,采用绝对稳定性准则对机体层控制律参数进行确定。为了补偿操作端交互力的不可测量以及模型参数不确定性对于系统闭环控制的影响,基于非线性力观测器以及自适应鲁棒控制器对4-CH单腿操控架构进行改进。通过实验验证所提出的方法及算法能够保证六足机器人在障碍地形下产生稳定的双向操控,提高系统跟踪精度的同时兼具良好的力透明度。本文根据多变的地形条件以及任务需求,分别设计不同的且具有针对性的六足机器人双向触觉操控方法。研究成果可广泛应用于六足机器人在高危、复杂场景中的控制任务,为后续的理论扩展与工程实践提供技术支持及方案储备。
【图文】：
图 1-1 ASV 六足机器人 图 1-2 AMBLER 机器人Fig. 1-1 The ASV hexapod robot Fig. 1-2 The AMBLER robot1990 年，卡内基梅隆大学和 JPL 联合研发了星球探测六足机器人MBLER[30]，如图 1-2 所示。该机器人的每条腿均为直角坐标式构型，机器在崎岖地形上行走时，，机体通过内置在腿部的齿条传动，以此调节位姿高
图 1-1 ASV 六足机器人 图 1-2 AMBLER 机器人Fig. 1-1 The ASV hexapod robot Fig. 1-2 The AMBLER robot1990 年，卡内基梅隆大学和 JPL 联合研发了星球探测六足机器人MBLER[30]，如图 1-2 所示。该机器人的每条腿均为直角坐标式构型，机器在崎岖地形上行走时，机体通过内置在腿部的齿条传动，以此调节位姿高
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP242
【参考文献】
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2675384
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