足式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制與仿真.pdf

1、足式機(jī)器人出色的運(yùn)動(dòng)能力，使其可以適應(yīng)在多種路面環(huán)境下的行進(jìn)和越障，可以廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸和軍事作戰(zhàn)，因此在軍用和民用領(lǐng)域都日漸受到關(guān)注。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力很大程度上依賴于機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)方式以及建立在這些基礎(chǔ)之上的運(yùn)動(dòng)控制策略。機(jī)械結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)方式在設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制策略之前一般已經(jīng)都被確定，則機(jī)器人的可控自由度和可控變量已確定，此時(shí)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)能力的強(qiáng)弱基本上全部依賴于運(yùn)動(dòng)控制策略的優(yōu)劣。本文針對(duì)足式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，在明確研究對(duì)象的前提

2、之下，主要針對(duì)單足機(jī)器人和四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性和動(dòng)力學(xué)特性，系統(tǒng)分析和研究了適用于兩者的運(yùn)動(dòng)控制方法。針對(duì)單足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制研究主要基于單足動(dòng)力學(xué)模型，而針對(duì)四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制研究則是基于四足步態(tài)模型，其中涉及了三維機(jī)械模型的建模與仿真。根據(jù)上述研究方法，本文在足式機(jī)器人的物理模型、數(shù)學(xué)模型、控制方法、以及算法仿真方面進(jìn)行了諸多分析和實(shí)驗(yàn)，得到了以下研究成果：
　　(1)基于彈簧負(fù)載倒立擺（SLIP）模型研究，采用基于有限狀

3、態(tài)機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制邏輯實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的判斷；通過(guò)關(guān)節(jié)功能解耦以及參數(shù)自調(diào)整的速度控制方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)前進(jìn)速度和身體姿態(tài)的控制；為了保持機(jī)器人的持續(xù)運(yùn)動(dòng)能力，設(shè)計(jì)了在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中針對(duì)腿部彈簧的能量補(bǔ)償方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)彈跳高度的控制。在最終的仿真實(shí)驗(yàn)中，單足機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了速度為1.2m/s的跳躍運(yùn)動(dòng)。
　　(2)基于四足動(dòng)物靜步態(tài)模型的研究，設(shè)計(jì)了自上而下的分層運(yùn)動(dòng)控制邏輯；根據(jù)四足機(jī)器人采用靜步態(tài)時(shí)的外界環(huán)境，設(shè)計(jì)了可以實(shí)現(xiàn)越障功能的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃

4、邏輯；根據(jù)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式，采用基于參數(shù)線性化的近似驅(qū)動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)控制器；并且根據(jù)其對(duì)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的要求，采用了基于身體質(zhì)心處平衡分析的穩(wěn)定性判據(jù)用于運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃。在最終的仿真實(shí)驗(yàn)中，四足機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了跨距為0.2m的靜步態(tài)運(yùn)動(dòng)。
　　(3)采用SolidWorks三維機(jī)械建模軟件設(shè)計(jì)的單足和四足機(jī)械模型。其中單足模型為單腿單關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式模擬電機(jī)驅(qū)動(dòng)；四足模型為四條腿總共12個(gè)關(guān)節(jié)的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式模擬液壓驅(qū)動(dòng)。采