六足机器人步态控制策略研究

论文摘要

随着人类探索自然界步伐的不断加速,人类所涉足作业环境不断拓宽,其中在一些环境下亟需由各种各样的机器人代替人类去完成多项高危作业。多足步行机器人具有可利用孤立地面支撑以及可实现多种步态行走和切换等优点,可以以非接触的方式完成在一些非结构环境下的复杂作业。在多足步行机器人中,六足机器人是极具代表性的一种,相比于二足和四足机器人,六足机器人具有冗余的机械结构、灵活的地面通过能力和超强的负载能力,更适合在非结构地形下作业。然而随着机器人关节自由度的增加,传统的控制算法难以实现多关节协调运动的复杂控制规则,基于中枢模式发生器（CPG）的仿生算法与传统的运动学分析相结合的方法能够解决机器人行走时的多关节协调问题。但目前国内对于六足机器人步态的研究大多局限于结构地形,即在平坦路面上机器人步态策略的规划,对于非结构地形下的步态策略研究仍处于探索期,没有个完全能够自主控制的步态策略。针对以上情况,本文将CPG仿生算法与传统运动学相结合,采用VarDerPol方程设计振荡器并构建六足机器人的环状CPG神经网络,作为六足机器人步态生成器用以控制机器人六条腿的跟关节,通过相位互锁关系改变机器人的迈步顺序；采用运动学分析方法规划单腿髋关节和膝关节的运动轨迹,在同一个周期内跟随跟关节做插补运动,通过对机器人单腿进行正逆运动学解算,输出单腿在支撑相和摆动相的不同运动形式。并在六足机器人的二三六基本步态基础上研究非结构地形下的自主反射控制,针对越障、过沟、爬坡三种复杂地形展开自主反射控制研究。最后采用MATLAB-ADAMS搭建联合仿真平台,通过Simulink模块设计控制系统并与ADAMS的反馈信息组建成闭环系统,使用仿真平台对六足机器人的基本步态规划和非结构地形局部自主步态规划进行动态仿真实验验证。实验结果表明采用CPG与传统运动学相结合的步态策略可以实现六足机器人的平地二三六步态运动,加入自主反射控制策略可实现六足机器人在非结构地形的行走。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的与意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题研究的目的与意义
• 1.2 国内外仿生足式机器人研究现状与发展趋势
• 1.3 主要研究内容
• 第2章 六足机器人步态控制策略研究
• 2.1 步态控制策略研究概述
• 2.2 仿生步态研究
• 2.2.1 高等动物节律运动原理
• 2.2.2 节肢动物典型步态
• 2.2.3 机器人步态的产生
• 2.3 六足机器人步态生成器研究
• 2.3.1 基于VanDerPol振荡器的CPG单元模型建立
• 2.3.2 六足机器人环形CPG的构建
• 2.4 六足机器人运动学分析
• 2.4.1 六足机器人本体模型设计
• 2.4.2 六足机器人腿部坐标变换
• 2.4.3 六足机器人运动学解析
• 2.5 六足机器人步态控制策略
• 2.5.1 单腿运动学与CPG的结合
• 2.5.2 六足机器人基本步态设计
• 2.6 本章小结
• 第3章 非结构地形局部自主控制策略
• 3.1 六足机器人局部自主概述
• 3.2 三种典型非结构地形局部自主控制策略
• 3.2.1 障碍识别及局部自主控制策略
• 3.2.2 壕沟识别及局部自主控制策略
• 3.2.3 坡面识别及局部自主控制策略
• 3.3 非结构地形局部自主控制策略
• 3.3.1 非结构地形概述
• 3.3.2 非结构地形局部自主控制策略
• 3.4 六足机器人稳定性分析
• 3.4.1 分析的依据
• 3.4.2 稳定性具体分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 仿真实验分析
• 4.1 引言
• 4.2 仿真实验系统搭建
• 4.3 六足机器人基本步态仿真实验
• 4.3.1 二步态仿真实验与结果分析
• 4.3.2 三步态仿真实验与结果分析
• 4.3.3 六步态仿真实验与结果分析
• 4.4 六足机器人局部自主步态仿真实验
• 4.4.1 越障仿真实验与结果分析
• 4.4.2 跨壕沟仿真实验与结果分析
• 4.4.3 爬坡仿真实验与结果分析
• 4.4.4 非结构地形局部自主仿真实验与结果分析
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢