仿蟹機器人步態(tài)規(guī)劃及復雜地貌行走方法研究.pdf

1、針對仿蟹機器人復雜地貌行走時需要解決的步行足沖擊力、機體穩(wěn)定性差等技術問題,在機器人步行足軌跡規(guī)劃、步態(tài)方法及柔順控制等方面開展了理論與實驗研究工作。
　　 提出了仿蟹機器人結構方案,包括:模塊化關節(jié)、扁形彈性足尖結構、步行足以及軀體結構等。并從正運動學和逆運動學兩方面對仿蟹機器人步行足以及機體的運動性能進行了分析和仿真。根據(jù)仿蟹機器人步行足關節(jié)角度的約束,利用搜索法求解步行足以及整機的可達工作空間。
　　 研究了仿蟹機

2、器人步行足末端軌跡規(guī)劃問題,采用三次樣條曲線對仿蟹機器人步行足末端軌跡進行了規(guī)劃。提出了自適應軌跡規(guī)劃原理和軌跡庫的基本建立方法與其調(diào)用機制。建立了虛擬樣機系統(tǒng)的控制系統(tǒng)和仿真模型,對仿蟹機器人在復雜地形情況行走進行仿真分析,證明了仿蟹機器人較強的復雜地形適應能力。
　　 通過分析生物螃蟹的運動特點,對仿蟹機器人步行足的步序關系及步態(tài)參數(shù)進行了規(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)先后擺動的兩步行足間的相位因子調(diào)整步序,并提出交錯等相位波形步態(tài)。建立了步態(tài)參數(shù)方程,計算了步行足占空比,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,當占空比等于0.454,相位因子等于0.25時,軀體可以獲得較高的移動速度和較好的運動穩(wěn)定性,運動能量損耗最小。與雙四足步態(tài)相比,機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,建立了機器人控制策略仿真模型。仿真結果表明采用柔順控制的機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,無波動現(xiàn)象,說明該控制方法適用于機器人的行走控制。同時,由于處于擺動相與支撐相的步行足受到的外部環(huán)境干擾不同,特別是力信號的差異對控制的影響,將模糊控制器應用到步行足單關節(jié)的位置控制中,并進行了仿真分析與實驗研究。結果表明模糊控制對力參數(shù)的變化具有較

5、強的魯棒性,適合作關節(jié)位置控制系統(tǒng)的控制器。
　　 研制仿蟹機器人實驗樣機,構建了測量實驗平臺,對仿蟹機器人復雜地形的運動性能進行了實驗研究,為仿蟹機器人的深入研究奠定了基礎。利用dSPACE實時仿真系統(tǒng)進行了仿蟹機器人步態(tài)實驗,并對仿蟹機器人實驗樣機進行了平面運動和斜坡運動的測試。通過不同速度下的交錯等相位波形步態(tài)與雙四足步態(tài)的對比實驗,驗證了交錯等相位波形步態(tài)的可行性,實驗結果表明交錯等相位波形步態(tài)在運動過程中,速度變化平穩(wěn)

6、,重心波動小,具有良好的運動穩(wěn)定性。
　　 通過引入柔順控制策略解決了仿蟹機器人行走時步行足沖擊力的問題,消除了沖擊力對步行足的影響。通過柔順控制實驗,對系統(tǒng)剛度變化進行了測試,實驗結果表明,在該控制策略的作用下,機器人具有良好的柔順性,在步行足受到?jīng)_擊力時能夠產(chǎn)生良好的緩沖作用。
　　 仿蟹機器人在行走過程中具有較高的運動穩(wěn)定性,其冗余肢體結構使其能在復雜環(huán)境中仍保持穩(wěn)定狀態(tài),即使個別關節(jié)出現(xiàn)故障仍然可以完成作業(yè),具有