六足步行机器人位姿控制及步态规划研究

【摘要】由于多足步行机器人采用非连续的行进方式,相比于其它机器人,多足步行机器人具有更为优越的地形适应性,特别是对于崎岖复杂环境,多足步行机器人优势更为明显,因此多足步行机器人具有广泛的应用前景。然而要充分发挥多足步行机器人对复杂地形的适应性,需要多项关键技术作为保障,其中多足步行机器人位姿控制和步态规划就是其中的两项关键技术。虽然现在有众多研究者致力于多足步行机器人的研究,但是对于多足步行机器人位姿控制的研究多停留在开环控制阶段；同时对于步态规划的研究,虽然出现了众多步态,然而尚未得到一种既对复杂地形具有好的适应性又简单快速的步态。本论文以六足步行机器人位姿控制和步态规划两个方面作为研究切入点,通过深入研究旨在实现六足步行机器人位姿闭环控制,同时对六足步行机器人转弯步态进行深入研究,从而为后续对适于六足步行机器人复杂环境中行走的步态研究奠定基础。第1章基于大量的国内外文献,首先分析了本课题研究的背景和意义,并对多足步行机器人发展现状进行了详细概括。其次,针对本课题研究的两个重点：多足步行机器人位姿控制和步态规划,对国内外多足步行机器人位姿控制研究概况和多足步行机器人步态研究概况进行了全面详细的整理。最后,阐述了本课题在六足步行机器人运动学分析基础上的三个研究内容。第2章主要完成了对六足步行机器人运动学的研究。首先,介绍了本课题中六足步行机器人实验平台的机械结构和硬件配置,其中六足步行机器人硬件配置包括上位机系统和下位机系统,上位机系统主要完成六足步行机器人位姿控制及步态规划计算,下位机系统主要完成姿态数据的采集处理及关节的控制。其次,基于六足步行机器人实验平台,建立了六足步行机器人D-H参数模型,并对六足步行机器人正运动学和逆运动学进行了分析,针对机器人逆运动学计算中出现无解或多解的问题,提出采用具有几何结构的求解方法,有效的解决机器人逆运动学问题。第3章主要完成了六足步行机器人位姿解算算法的研究。提出利用运动分解方法,将六足步行机器人位姿调整分解为位置调整和姿态调整两个过程,并基于六足步行机器人逆运动学算法求解两个过程中六足步行机器人各个关节的关节角度,然后利用运动合成方法求解得到六足步行机器人位姿调整中各个关节的关节角度。通过ADAMS软件建立六足步行机器人的运动模型,利用MATLAB软件实现六足步行机器人位姿解算算法,通过MATLAB与ADAMS软件联合仿真验证了六足步行机器人位姿解算算法的正确性。第4章主要完成了六足步行机器人位姿闭环控制研究。首先,通过对六足步行机器人单腿速度逆运动学进行研究,建立六足步行机器人速度逆运动学模型。其次,对六足步行机器人位置和姿态控制采用比例控制策略,基于速度逆运动学模型,将六足步行机器人位姿闭环分解为位置闭环和姿态闭环,从而实现六足步行机器人位姿闭环控制。第三,基于六足步行机器人实验平台,采用MATLAB设计六足步行机器人位姿闭环控制策略,运用ADAMS完成对六足步行机器人的运动建模,并对六足步行机器人位姿闭环控制进行联合仿真,仿真结果验证了六足步行机器人位姿闭环控制方法的正确性。第四,将六足步行机器人位姿闭环控制理论应用于六足步行机器人实验平台中,其中六足步行机器人位置开环控制,姿态闭环控制。通过对六足步行机器人姿态闭环控制阶跃响应实验和正弦跟踪实验验证了六足步行机器人位姿闭环控制理论的正确性,同时采用正交实验法求解得到较为合理的位置闭环比例系数矩阵和姿态闭环比例系数矩阵。最后,采用六足步行机器人位姿闭环控制解决球形足端造成的六足步行机器人位姿误差问题。通过MATLAB与ADAMS联合仿真,验证了六足步行机器人位姿闭环控制方法解决球形足端造成的六足步行机器人位姿误差问题的有效性。在实验室中构建与MATLAB和ADAMS联合仿真中相同的环境,将六足步行机器人位姿闭环控制运用于六足步行机器人的运动中,进一步验证了六足步行机器人位姿闭环控制方法的正确性。第5章主要完成了六足步行机器人步态规划研究。将三角步态应用于六足步行机器人定半径转弯步态中,提出一种基于三角步态的定半径转弯步态规划方法,从而简化了六足步行机器人转弯步态,并提出一种基于稳定性约束和腿运动约束条件下的六足步行机器人最大转弯角度的求解方法。在六足步行机器人定半径转弯步态中,对于两组腿分别作为支撑腿转弯时,采用不同的转弯角度从而有效利用机器人转弯过程中每步的转弯能力。利用MATLAB和ADAMS软件对基于三角步态的六足步行机器人定半径转弯步态进行仿真,仿真结果验证了六足步行机器人转弯步态规划方法的正确性。同时在六足步行机器人实验平台中对六足步行机器人定半径转弯步态进行了实验验证。
【作者】陈刚；
【导师】陈鹰；金波；
【作者基本信息】浙江大学，机械电子工程，2014，博士
【关键词】六足步行机器人；逆运动学；位姿解算；速度逆运动学；位姿闭环控制；步态规划；三角步态；转弯步态；

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