基于多維度空間耦合的六足機(jī)器人非平坦地形下步態(tài)規(guī)劃.pdf

1、六足機(jī)器人具有冗余的結(jié)構(gòu)和離散的落足點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)多種步態(tài)方式，具有較強(qiáng)的地形適應(yīng)能力，因此適合在戶外非平坦地形下作業(yè)。在非平坦地形下，六足機(jī)器人一個(gè)步態(tài)周期包括三個(gè)過(guò)程:(1)機(jī)器人機(jī)身重心移到工作空間內(nèi)指定的點(diǎn);(2)擺動(dòng)腿抬起落到理想落足點(diǎn);(3)擺動(dòng)相和支撐相互換，新的擺動(dòng)相落到理想落足點(diǎn)，即機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃過(guò)程主要分為機(jī)身運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、足端落足點(diǎn)評(píng)估以及擺動(dòng)腿運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，這三方面的研究對(duì)六足機(jī)器人在非平坦地形下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高效和準(zhǔn)確的步態(tài)

2、具有重要的意義。
　　本文詳細(xì)討論了六足機(jī)器人在非平坦地形下步態(tài)規(guī)劃過(guò)程中涉及到的機(jī)身運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、足端理想落足點(diǎn)評(píng)估以及擺動(dòng)腿運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問(wèn)題，主要研究工作和成果如下:
　　首先，根據(jù)D-H(Denavit-Hartenberg)算法和矢量圖法，對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行建模，包括正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)建模和微分運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，并通過(guò)Matlab對(duì)機(jī)器人L2的足端工作空間進(jìn)行仿真驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)現(xiàn)有局部環(huán)境建模算法擬合度低的問(wèn)題，提出一種基于多曲

3、線擬合的局部環(huán)境建模算法，該算法具有時(shí)間復(fù)雜度低、擬合精度高的優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和局部環(huán)境模型，求解機(jī)器人足端可達(dá)工作空間。
　　其次，針對(duì)數(shù)值解析法對(duì)機(jī)身工作空間求解過(guò)程較為復(fù)雜的問(wèn)題，提出一種基于多維度空間耦合的機(jī)身工作空間求解算法，該算法通過(guò)耦合多個(gè)機(jī)身工作子空間得出機(jī)身工作空間，不涉及腿部逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解，算法效率較高。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)分析機(jī)身“死鎖”原因，提出機(jī)身“死鎖”的解決措施。提出一種基于運(yùn)動(dòng)相對(duì)性的機(jī)身位姿調(diào)

4、整算法，求解機(jī)身位姿與站立腿關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角之間的映射關(guān)系，基于此，對(duì)機(jī)身初始運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，完成六足機(jī)器人在非平坦地形下的機(jī)身運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。
　　再次，根據(jù)現(xiàn)有落足點(diǎn)評(píng)估算法，提出一種基于多重約束的落足點(diǎn)評(píng)估算法，該算法耦合了地形幾何結(jié)構(gòu)約束和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)約束，在落足點(diǎn)評(píng)估過(guò)程中，不容易出現(xiàn)“壞點(diǎn)”。在此基礎(chǔ)上，對(duì)擺動(dòng)腿進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，主要包括擺動(dòng)腿足端軌跡規(guī)劃、擺動(dòng)腿最大步幅規(guī)劃以及擺動(dòng)腿數(shù)量選擇。
　　然后，通過(guò)Matlab對(duì)機(jī)

5、身在姿態(tài)角分別為0°、10°和15°的初始工作空間進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明機(jī)身工作空間隨著姿態(tài)角的增大而減小;通過(guò)Matlab和Adams聯(lián)合仿真，對(duì)比兩種機(jī)身運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法的落足點(diǎn)可達(dá)性、最小穩(wěn)定裕度以及機(jī)身姿態(tài)角變化幅度，驗(yàn)證機(jī)身運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法的正確性;對(duì)比環(huán)境三維模型圖和Matlab中的環(huán)境擬合圖，驗(yàn)證局部環(huán)境建模算法的正確性;對(duì)比兩種落足點(diǎn)評(píng)估算法的擺動(dòng)腿步幅，驗(yàn)證落足點(diǎn)評(píng)估算法的正確性;對(duì)比不同軌跡下的足端速度和加速度曲線圖，驗(yàn)