论文摘要
人类认识自然改造自然,不断的从自然界中得到灵感和启发。有生命的动物是大自然的奇迹,模仿动物做出能和大自然相媲美的仿生机器人一直是人类还没有完成的梦想。大自然中四足动物居多,在奔跑的速度、复杂地形的适应、运动的灵活上,它们一直是佼佼者。在亿万年的进化中,四足动物充分展现了大自然巧夺天工的创作力量。人们希望能从这亿万年的经验上得到启发,在不同层次上模仿四足动物,构造奔跑速度快、运动灵活、能适应复杂地形的四足仿生机器人。本文围绕四足机器人的生物运动规划方法展开如下工作:(1)对比国内外的研究现状,国内在四足机器人的研究领域还有一定差距。在国家863项目《高性能四足仿生机器人研究》的推动下,各大院校加速了四足机器人理论的应用研究,并研制了五台四足仿生机器人样机。差距逐渐缩小,还有许多研究工作需要开展。(2)介绍了中枢模式发生器的概念以及模型,并利用清华大学改进Matsuoka振荡器模型对四足机器人进行生物运动规划,研究了生物运动规划的可行性。文中介绍了生物运动规划过程,设计并推导了足底轨迹方程和膝、踝、髋前关节的运动约束方程,结合中枢模式发生器生成规划曲线。(3)结合教研室四足机器人样机的物理结构特点搭建了中枢模式发生器的仿真模型,研究了仿真参数的选取,和参数的在线调整对规划周期和幅值的影响。并通过遗传算法对参数进行优化。将优化结果应用于仿真中,得到稳定振荡的平滑曲线,满足四足机器人规划需求。在选定参数的基础上,做了动静转换的研究,实现了中枢模式发生器的起振与停振,最后通过动静转换的原理做了步态转换的研究,证明了中枢模式发生器可以通过改变单个参数进行简单的在线调整。(4)介绍了国防科技大学研制的四足机器人样机硬件结构,设计了四足机器人运动控制软件和遥控软件,详细介绍了设计流程,并在此基础上进行周期步态、动静转换、步态转换的实物实验,成功实现了机器人的停止和运动,以及步态多样性的在线转换。