四足机器人运动控制技术研究与实现

发布时间：2020-07-09 22:48

【摘要】：作为陆地上进化完善、富有特色的生物种群,四足哺乳动物在运动属性方面有着高动力性、高适应性、高稳定性、高负载能力等众多优点,它们几乎可以到达地球陆地上的任何区域。四足哺乳动物优异的运动属性使越来越多的科学工作者对其开展仿生学研究,希望能够设计、制作出同样具备类似四足动物强大运动能力的仿生四足机器人,并使这些机器人在军事侦察、资源勘测、物资运输和灾难救援等众多领域发挥作用。从本质上分析,四足机器人属于多学科、多专业、多领域的融合产物,其研究内容涵盖了结构设计、步态规划、动力驱动、运动传递、传感探测、信息处理、运筹决策、系统控制等多个方面,包含着机器人研究领域的众多热点和难点问题。本文针对四足机器人运动时存在的技术难题——多关节协调控制、动态稳定性控制,以及动力系统能耗控制,对某液压四足机器人的仿生机构设计、运动控制理论与方法、运动控制系统构建、液压伺服系统设计等关键技术问题展开了系统研究与深入探索,为机器人的整体完善与后续研究奠定了基础。通过广泛查阅与合理借鉴国内外相关技术文献及其成果,本文在对多种四足哺乳动物进行仿生学研究的基础上,提炼出可供四足机器人机构设计所借鉴的仿生学规律;对机器人运动控制方法进行对比与分析,总结简捷有效的控制规律。针对负载型四足机器人的设计目标,对机器人腿节数量、关节摆角、液压缸安装位置和工作行程等机构相关参数进行设计。建立两腿节全内弯式液压四足机器人的运动学模型和基于动态平衡的动力学简化模型。提出了一种结合分层递阶控制体系结构和分布式控制体系结构的四足机器人复合式仿生运动控制系统方案,作为机器人控制系统。明确动力系统-电液伺服系统的系统架构和控制目标;搭建四足机器人运动、动力和控制三大部分的仿真模型平台,并建立三者协同工作的联合仿真模型。在上述工作的支撑下,本文建立了四足机器人Trot步态动力学模型,并据此提供了四足机器人存在能耗最优步长的理论依据;继而对四足机器人进行了具有足端换相零冲击特点的复合摆线与更为灵活设置的贝塞尔曲线足端轨迹规划;通过大量仿真实验对两种足端轨迹进行速度、稳定性、能耗的分析和对比,对机器人迈步参数如步态、步长、周期、抬脚高度等变化对机器人产生的影响进行了分析;在保证机器人稳定行走的前提下,研究了基于能耗最优的参数设置。本文还针对机器人不同步态能耗最优步长不同的结论,设计出一种基于速度的步态转换控制策略。针对基于模型的机器人步态控制方法建模复杂、单周期规划、机器人环境适应性差等缺点,本文深入分析了足端轨迹规划中,各足端与机体重心的位置关系,结合仿生观察和CPG步态转换的理论,设计了由足端轨迹和机体重心轨迹共同规划四足机器人静止状态与运动状态的转换、步态间的转换方式,并设计出机器人步长和周期连续改变的控制方法。与此同时,本文还对附着力变化、坡度变化和地面起伏等外部环境变化对机器人的影响及其应对策略进行了分析与设计;且根据动物的坡面运动规律,计算了关节平衡位置改变量与坡度之间的关系;为了改善机器人的行走效率,本文利用贝塞尔曲线的性质,合理利用打滑情况,并设计机器人跨步越障方法和探步越障方法,拓展了机器人正向行走的工作范围,保证机器人能够平顺的行走。本文通过合理选型与仔细核对,搭建了机器人电液伺服系统平台,通过仿真实验分析了电液伺服系统相较于传统伺服控制领域的特征问题,设计了一种模糊自适应前馈补偿的PID算法及模糊前馈控制器,保证在大误差情况下能够实现类似bang-bang控制的效果;本文还建立了五次样条曲线的轨迹规划差补算法,保证液压缸运动速度连续平滑,加速度连续。最后,本文研制搭建了四足机器人物理样机,并使用复合摆线轨迹规划的Trot步态对控制方法进行实验验证,实验结果令人满意。本文的研究内容与研究成果对四足机器人的理论研究与技术探索具有借鉴意义及参考价值。
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP242
【图文】：

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图 2.8 四足机器人 Trot步态行走过程力分布示意图机器人机体在机体坐标系的俯仰、横滚和偏转的旋转力矩平衡方程分别为：LF LF RH RH LF LF RH RHN x = N x + f y + f y(2.31)LF LF RH RHN z = N z(2.32)LF LF RH RHf z = f z(2.33)其中，x，y，z 均为各足端在机体坐标系的坐标；若此时刻机体保持平衡状态，且腿全部为正摆，则有LF=x L / 2 + S/ 4，RHx = L / 2 + S/ 4，LF RHy = y = H，LF RHz = z =L'/ 2。S 为当前迈步的步长，在第四章有详细介绍。由式(2.30)和(2.32)解得LF RHN = N = Mg/ 2(2.34)由于模型中摩擦力和驱动力相等，将式(2.29)和(2.34)代入式(2.31)，得

4.18 Trot与 Walk 步态足端与机体的相对位置比较(相同速度、步长)在进行步态转换时，通常的做法是迈步的速度基本不变，拍步态 Trot，周期减小一半，对照图 4.7 和图 4.16，得到 如图 4.19 所示，由于步态转换关系周期的比例，Trot 的周面相交曲线即为能效值最低的步态转换状态，即本文机器置对步态的选择进行判断，即比相交曲线更低速状态下，宜用 Trot 步态。

本文编号：2748086