仿蟹機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃及復(fù)雜地貌行走方法研究.pdf

1、針對(duì)仿蟹機(jī)器人復(fù)雜地貌行走時(shí)需要解決的步行足沖擊力、機(jī)體穩(wěn)定性差等技術(shù)問題,在機(jī)器人步行足軌跡規(guī)劃、步態(tài)方法及柔順控制等方面開展了理論與實(shí)驗(yàn)研究工作。
　　 提出了仿蟹機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案,包括:模塊化關(guān)節(jié)、扁形彈性足尖結(jié)構(gòu)、步行足以及軀體結(jié)構(gòu)等。并從正運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)兩方面對(duì)仿蟹機(jī)器人步行足以及機(jī)體的運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行了分析和仿真。根據(jù)仿蟹機(jī)器人步行足關(guān)節(jié)角度的約束,利用搜索法求解步行足以及整機(jī)的可達(dá)工作空間。
　　 研究了仿蟹機(jī)

2、器人步行足末端軌跡規(guī)劃問題,采用三次樣條曲線對(duì)仿蟹機(jī)器人步行足末端軌跡進(jìn)行了規(guī)劃。提出了自適應(yīng)軌跡規(guī)劃原理和軌跡庫(kù)的基本建立方法與其調(diào)用機(jī)制。建立了虛擬樣機(jī)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)和仿真模型,對(duì)仿蟹機(jī)器人在復(fù)雜地形情況行走進(jìn)行仿真分析,證明了仿蟹機(jī)器人較強(qiáng)的復(fù)雜地形適應(yīng)能力。
　　 通過分析生物螃蟹的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),對(duì)仿蟹機(jī)器人步行足的步序關(guān)系及步態(tài)參數(shù)進(jìn)行了規(guī)劃研究,提出了一種步態(tài)規(guī)劃方法。依據(jù)靜穩(wěn)態(tài)條件,將機(jī)器人步行足依Z字形分組,通過調(diào)節(jié)

3、組內(nèi)先后擺動(dòng)的兩步行足間的相位因子調(diào)整步序,并提出交錯(cuò)等相位波形步態(tài)。建立了步態(tài)參數(shù)方程,計(jì)算了步行足占空比,利用能耗比分析了相位因子與占空比變化對(duì)步態(tài)能量損耗的影響。步態(tài)仿真分析表明,隨著占空比增大,能耗比值呈線性增加趨勢(shì),當(dāng)占空比等于0.454,相位因子等于0.25時(shí),軀體可以獲得較高的移動(dòng)速度和較好的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性,運(yùn)動(dòng)能量損耗最小。與雙四足步態(tài)相比,機(jī)器人具有良好的行走穩(wěn)定性和較低的能耗比。
　　 提出了仿蟹機(jī)器人的柔順控制

4、方法。分析了步行足與環(huán)境的接觸模型,采用基于位置阻抗的柔順控制方法,建立了機(jī)器人控制策略仿真模型。仿真結(jié)果表明采用柔順控制的機(jī)器人在行走過程中的沖擊力得到了抑制,步行足末端受力能夠迅速穩(wěn)定,無(wú)波動(dòng)現(xiàn)象,說明該控制方法適用于機(jī)器人的行走控制。同時(shí),由于處于擺動(dòng)相與支撐相的步行足受到的外部環(huán)境干擾不同,特別是力信號(hào)的差異對(duì)控制的影響,將模糊控制器應(yīng)用到步行足單關(guān)節(jié)的位置控制中,并進(jìn)行了仿真分析與實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明模糊控制對(duì)力參數(shù)的變化具有較

5、強(qiáng)的魯棒性,適合作關(guān)節(jié)位置控制系統(tǒng)的控制器。
　　 研制仿蟹機(jī)器人實(shí)驗(yàn)樣機(jī),構(gòu)建了測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)仿蟹機(jī)器人復(fù)雜地形的運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,為仿蟹機(jī)器人的深入研究奠定了基礎(chǔ)。利用dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)進(jìn)行了仿蟹機(jī)器人步態(tài)實(shí)驗(yàn),并對(duì)仿蟹機(jī)器人實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行了平面運(yùn)動(dòng)和斜坡運(yùn)動(dòng)的測(cè)試。通過不同速度下的交錯(cuò)等相位波形步態(tài)與雙四足步態(tài)的對(duì)比實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了交錯(cuò)等相位波形步態(tài)的可行性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明交錯(cuò)等相位波形步態(tài)在運(yùn)動(dòng)過程中,速度變化平穩(wěn)

6、,重心波動(dòng)小,具有良好的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。
　　 通過引入柔順控制策略解決了仿蟹機(jī)器人行走時(shí)步行足沖擊力的問題,消除了沖擊力對(duì)步行足的影響。通過柔順控制實(shí)驗(yàn),對(duì)系統(tǒng)剛度變化進(jìn)行了測(cè)試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在該控制策略的作用下,機(jī)器人具有良好的柔順性,在步行足受到?jīng)_擊力時(shí)能夠產(chǎn)生良好的緩沖作用。
　　 仿蟹機(jī)器人在行走過程中具有較高的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性,其冗余肢體結(jié)構(gòu)使其能在復(fù)雜環(huán)境中仍保持穩(wěn)定狀態(tài),即使個(gè)別關(guān)節(jié)出現(xiàn)故障仍然可以完成作業(yè),具有