復(fù)雜地形環(huán)境四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方法研究與實(shí)現(xiàn).pdf

1、地球陸地表面有一半以上的面積為崎嶇地形，包括山地、沼澤、溝壑等，在這些地形無法使用傳統(tǒng)的輪式或履帶式機(jī)構(gòu)進(jìn)行移動(dòng)，因而在這些地域的地形勘測(cè)、工程探險(xiǎn)、軍事偵察等任務(wù)難以使用傳統(tǒng)移動(dòng)機(jī)器人完成。然而許多陸生動(dòng)物能夠在這些崎嶇地形靈活奔跑跳躍，這給予人類以下啟發(fā):腿足移動(dòng)方式在崎嶇地形具有極大優(yōu)勢(shì)。
　　大自然中的生物千千萬，而大型陸生動(dòng)物絕大多數(shù)都是四足動(dòng)物，這說明在漫長(zhǎng)而又殘酷的優(yōu)勝劣汰過程中，四足動(dòng)物獲得了大自然的認(rèn)可，逐漸發(fā)展

2、壯大并繁衍至今。獵豹能高速奔跑，山羊能在峭壁上如履平地，駱駝能長(zhǎng)期在嚴(yán)酷環(huán)境下負(fù)重行走，四足移動(dòng)方式的優(yōu)勢(shì)不言而喻。
　　目前腿足式機(jī)器人按照腿的數(shù)量主要分為單足、雙足、四足、六足、八足等，其中四足形式因?yàn)閾碛斜入p足更強(qiáng)的穩(wěn)定性和比六足、八足更簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)而廣受重視，這與大自然的選擇完全一致，更堅(jiān)定了人們研究四足機(jī)器人的決心。
　　本文通過研究四足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和步態(tài)，提出了一系列的控制方法，主要包括以下幾方面內(nèi)容:
　　

3、1、對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人來說，移動(dòng)是機(jī)器人的基本功能;對(duì)四足機(jī)器人來說，在保持穩(wěn)定的情況下實(shí)現(xiàn)快速、靈活的移動(dòng)則是機(jī)器人控制的重中之重。本文提出一種基于振蕩合成的運(yùn)動(dòng)控制方法，首先將機(jī)器人在平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)解耦為前后移動(dòng)、左右移動(dòng)和自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，然后對(duì)三個(gè)方向上的速度進(jìn)行獨(dú)立控制，再通過軌跡合成獲得最終足端軌跡，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的全方位移動(dòng)。
　　2、斜坡是一種常見地形，當(dāng)機(jī)器人在斜坡上移動(dòng)時(shí)，質(zhì)心在支撐多邊形內(nèi)的位置會(huì)向斜坡下方偏移，從而影響機(jī)器

4、人的對(duì)稱性，降低行走穩(wěn)定性。本文通過對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，采用坐標(biāo)映射的方式調(diào)整足端位置，在不影響步態(tài)規(guī)劃的情況下完成對(duì)坡度的自適應(yīng)，將平面內(nèi)的全方位移動(dòng)方法擴(kuò)展到任意斜面，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在斜面上的“如履平地”。
　　3、除了平地和斜坡外，自然界中有各種各樣的崎嶇地形，如何在非結(jié)構(gòu)崎嶇地形下穩(wěn)定移動(dòng)，這是四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文使用觸覺對(duì)非結(jié)構(gòu)化地形進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)，將機(jī)器人運(yùn)動(dòng)解耦為基本步態(tài)規(guī)劃、質(zhì)心位置調(diào)整、姿態(tài)調(diào)整

5、三個(gè)部分，通過多個(gè)任務(wù)協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的穩(wěn)定移動(dòng)。最后在一個(gè)破損的樓梯上進(jìn)行測(cè)試，機(jī)器人在對(duì)環(huán)境無任何先驗(yàn)知識(shí)的情況下順利爬上樓梯，展示出良好的穩(wěn)定性和崎嶇地形移動(dòng)能力。
　　4、以上均為通過規(guī)劃足端位置實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng)控制。除此以外，本文還研究了在力控制模式下的對(duì)角腿站立穩(wěn)定控制問題。目前大多數(shù)腿足式機(jī)器人的穩(wěn)定依賴于大腳掌、多足支撐或連續(xù)跳躍，而本文將機(jī)器人在對(duì)角腿支撐狀態(tài)的控制解耦為三部分并分別控制，使用線性二次型調(diào)節(jié)器(Li