足式機器人運動控制與仿真.pdf

1、足式機器人出色的運動能力，使其可以適應(yīng)在多種路面環(huán)境下的行進和越障，可以廣泛應(yīng)用于交通運輸和軍事作戰(zhàn)，因此在軍用和民用領(lǐng)域都日漸受到關(guān)注。機器人的運動能力很大程度上依賴于機器人的機械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動方式以及建立在這些基礎(chǔ)之上的運動控制策略。機械結(jié)構(gòu)和驅(qū)動方式在設(shè)計運動控制策略之前一般已經(jīng)都被確定，則機器人的可控自由度和可控變量已確定，此時機器人運動能力的強弱基本上全部依賴于運動控制策略的優(yōu)劣。本文針對足式機器人的運動控制，在明確研究對象的前提

2、之下，主要針對單足機器人和四足機器人的運動學(xué)特性和動力學(xué)特性，系統(tǒng)分析和研究了適用于兩者的運動控制方法。針對單足機器人的運動控制研究主要基于單足動力學(xué)模型，而針對四足機器人的運動控制研究則是基于四足步態(tài)模型，其中涉及了三維機械模型的建模與仿真。根據(jù)上述研究方法，本文在足式機器人的物理模型、數(shù)學(xué)模型、控制方法、以及算法仿真方面進行了諸多分析和實驗，得到了以下研究成果：
　　(1)基于彈簧負(fù)載倒立擺（SLIP）模型研究，采用基于有限狀

3、態(tài)機的運動控制邏輯實現(xiàn)對運動狀態(tài)的判斷；通過關(guān)節(jié)功能解耦以及參數(shù)自調(diào)整的速度控制方法，實現(xiàn)了對前進速度和身體姿態(tài)的控制；為了保持機器人的持續(xù)運動能力，設(shè)計了在運動過程中針對腿部彈簧的能量補償方法實現(xiàn)了對彈跳高度的控制。在最終的仿真實驗中，單足機器人實現(xiàn)了速度為1.2m/s的跳躍運動。
　　(2)基于四足動物靜步態(tài)模型的研究，設(shè)計了自上而下的分層運動控制邏輯；根據(jù)四足機器人采用靜步態(tài)時的外界環(huán)境，設(shè)計了可以實現(xiàn)越障功能的運動軌跡規(guī)劃

4、邏輯；根據(jù)關(guān)節(jié)驅(qū)動方式，采用基于參數(shù)線性化的近似驅(qū)動動力學(xué)模型設(shè)計關(guān)節(jié)控制器；并且根據(jù)其對運動穩(wěn)定性的要求，采用了基于身體質(zhì)心處平衡分析的穩(wěn)定性判據(jù)用于運動軌跡規(guī)劃。在最終的仿真實驗中，四足機器人實現(xiàn)了跨距為0.2m的靜步態(tài)運動。
　　(3)采用SolidWorks三維機械建模軟件設(shè)計的單足和四足機械模型。其中單足模型為單腿單關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)驅(qū)動方式模擬電機驅(qū)動；四足模型為四條腿總共12個關(guān)節(jié)的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)驅(qū)動方式模擬液壓驅(qū)動。采