六足仿生機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃與控制系統(tǒng)研究.pdf

1、隨看人類探索自然界步伐的不斷加速,各應(yīng)用領(lǐng)域?qū)哂袕?fù)雜環(huán)境下自主移動(dòng)能力機(jī)器人的需求日趨廣泛。步行機(jī)器人作為一種代替輪式或履帶式移動(dòng)裝置來穿越復(fù)雜地形的移動(dòng)機(jī)構(gòu),以其特有的優(yōu)勢(shì)得到越來越多的研究。
　　 六足仿生機(jī)器人地形適應(yīng)能力強(qiáng),具有冗余肢體,可以在肢體不完備的情況下繼續(xù)執(zhí)行一定的工作,適合擔(dān)當(dāng)災(zāi)后探測(cè)、野外偵查以及太空探測(cè)等對(duì)自主性、靈活性和可靠性要求比較高的工作。同時(shí),其多足的緣故需要實(shí)施協(xié)調(diào)控制,也導(dǎo)致六足機(jī)器人控制較

2、為復(fù)雜。作為地球上最成功的運(yùn)動(dòng)生物,多足昆蟲則以其復(fù)雜精妙的肢體結(jié)構(gòu)和靈巧的運(yùn)動(dòng)控制策略,可輕易地穿越各種復(fù)雜的自然地形,甚至能在光滑的表面上倒立行走。因此,將多足昆蟲的行為學(xué)研究成果,融入到步行機(jī)器人的設(shè)計(jì)與控制中,開發(fā)具有卓越移動(dòng)能力的六足仿生機(jī)器人,對(duì)于足式移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的研究與應(yīng)用具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。
　　 本文從仿生的角度出發(fā),對(duì)六足步行機(jī)器人的構(gòu)形設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算、步態(tài)規(guī)劃與變換、控制方法設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了深入探

3、討,并通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性和合理性。
　　 首先,論文綜合論述了六足機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展概況、應(yīng)用前景,討論了發(fā)展趨勢(shì),制定了本課題的研究目的和內(nèi)容等。其次,設(shè)計(jì)了六足仿生機(jī)器人的構(gòu)型,并以此建立模型,對(duì)其步態(tài)原理進(jìn)行了研究。分析了三角步態(tài)原理,規(guī)劃了典型直線行走和定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎步態(tài),并進(jìn)行了穩(wěn)定裕量計(jì)算,以保證機(jī)器人運(yùn)行的穩(wěn)定性。針對(duì)六足仿生機(jī)器人規(guī)劃了三種典型步態(tài):波動(dòng)步態(tài)、中速步態(tài)、三足步態(tài),設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于節(jié)律性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的步態(tài)

4、產(chǎn)生機(jī)制。然后,根據(jù)六足步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性、準(zhǔn)確性的控制要求,在分析WilsonCowan神經(jīng)振蕩器和Hopf神經(jīng)振蕩器的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了用于六足機(jī)器人步態(tài)控制的中樞模式發(fā)生器(CPG),利用CPG控制方法解決步態(tài)規(guī)劃中步態(tài)產(chǎn)生和步態(tài)轉(zhuǎn)換兩個(gè)問題。為了將CPG模型更好的應(yīng)用于工程中,在總結(jié)了工程中實(shí)用的CPG模型參數(shù)整定方法的基礎(chǔ)上,本文利用計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真的方法,得到CPG模型參數(shù)的改變對(duì)輸出影響的趨勢(shì),以及保證方程穩(wěn)定振蕩的參數(shù)取值范

5、圍。通過對(duì)相應(yīng)參數(shù)的分析和整定,確定了參數(shù)數(shù)值。
　　 最后,在改進(jìn)后的Wilson Cowan神經(jīng)振蕩器構(gòu)成的對(duì)稱CPG控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上,利用所選參數(shù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)六足機(jī)器人典型步態(tài)的控制。通過對(duì)步態(tài)權(quán)矩陣的替換,可以實(shí)現(xiàn)任意兩種步態(tài)之間的轉(zhuǎn)換,針對(duì)轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)的幅值不相等的問題,提出了數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化變換的修改方法。
　　 通過Matlab仿真實(shí)驗(yàn)證明,基于中樞模式發(fā)生器的機(jī)器人節(jié)律運(yùn)動(dòng)控制方法的控制效果理想,論文提出的步態(tài)規(guī)