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四足机器人仿生运动控制理论与方法的研究

李华师  
【摘要】:与其他类型的机器人相比,四足机器人具有良好的运动灵活性和优异的环境适应性,是步行机器人领域中的研究热点。近年来,研制具有高动态性、高适应性、高稳定性、高负载能力的高性能四足机器人成为仿生机器人技术领域主流的研究方向。作为一种典型的强耦合非线性复杂动力学系统,四足机器人模型结构复杂,关联因素众多,许多基础理论与关键技术有待深入研究。本文以提高四足机器人的环境适应性和运动稳定性为目的,围绕四足机器人的仿生机构设计、仿生运动控制理论与方法、运动控制系统构建等关键技术问题展开研究,主要工作及贡献如下: (1)在对马体解剖构造进行仿生学研究的基础上,提炼出了可供四足机器人机构设计所借鉴的仿生学规律,确定了四足机器人运动机构的相关参数,采用Top-Down设计方法、模块化设计思路和分层装配技术,完成了四足机器人的机构仿生设计,并从运动速度、能耗和地形适应性三个方面对四足机器人的不同关节配置方式进行了仿真分析与性能评价,给出了较优的关节配置方式。 (2)针对基于模型的机器人步态控制方法建模复杂、单周期规划、机器人环境适应性差等缺点,借鉴动物的中枢模式发生器(Central Pattern Generator,CPG)运动控制机理,研究了四足机器人步态生成与步态转换的仿生控制方法。针对传统的基于CPG的步态控制策略中CPG模型仅用于实现机器人足间协调,而不考虑单足内部各关节之间的协调,以及CPG输出信号对应的机器人支撑相与摆动相持续时间相等的问题,提出了将CPG同时用于实现四足机器人足间及足内多关节协调控制的方法,以Hopf振荡器为基础,构建了两种可同时实现对四足机器人髋关节和膝关节控制的CPG控制网络,所设计的控制网络很好地整合了膝关节的控制,不仅能够满足四足机器人不同负载因子节律步态的控制需求,而且结构简单,参数易于调整,便于实时控制。针对在转换点直接替换离散步态矩阵的步态转换方法会产生断点、锁相、停振、尖点等不利现象,从而造成机器人步态转换不平滑的问题,提出了一种基于CPG的四足机器人连续平滑步态转换方法,通过对机器人各足之间相对相位的连续调整,可使机器人实现任意两种步态之间的平滑转换。利用ADAMS和MATLAB联合仿真,验证了所提出的CPG步态生成与步态转换算法的正确性和有效性。 (3)在四足机器人基本步态控制的基础上,借鉴生物反射机制研究了四足机器人的地形适应性控制方法。提出了一种修正的用于实现四足机器人稳定坡面运动的前庭反射模型,建立了加入反馈的基于Hopf振荡器的四足机器人CPG控制模型,并利用反馈项实现了前庭反射与CPG的融合,解决了前肘后膝式四足机器人在坡面运动过程中重心存在明显上下波动的问题,提高了四足机器人坡面运动的稳定性。为了使四足机器人具有自主避障、越障能力,模仿动物的越障、避障动作,针对反射点所处不同时相以及不同类型的关节结构设计了四足机器人的屈肌反射动作模式,提出了一种通过指定最大越障高度确定屈肌反射模型参数的方法,明确了屈肌反射模型参数与障碍物高度之间的关系。在屈肌反射建模过程中,考虑了四足机器人的坡面运动,将屈肌反射与前庭反射有机融合,实现了四足机器人的坡面越障功能。利用ADAMS和MATLAB联合仿真,验证了所建立的前庭反射模型和屈肌反射模型的正确性。 (4)在基本步态控制和地形适应性行走控制研究的基础上,为进一步提高四足机器人的动态稳定性,使其具备一定的抵抗外部冲击扰动的能力,研究了四足机器人侧向冲击下的动态稳定性控制方法。提出了基于CPG和侧向跨步反射的四足机器人抗侧向冲击扰动的稳定性控制策略,构建了既可实现机器人基本节律运动又可实现机器人侧向运动的CPG控制网络模型,通过为髋关节侧摆运动构建具有触发使能性质的振荡器,为机器人引入侧向跨步反射机制。利用ADAMS和MATLAB联合仿真,验证了所提出的稳定性控制策略的有效性,显著提高了四足机器人的动态稳定性。 (5)模仿动物的运动神经控制系统结构,提出了一种分层递阶式控制体系结构与分布式控制体系结构相结合的四足机器人复合式仿生运动控制系统方案,构建了综合ARM、FPGA和DSP技术的核心控制系统架构,并规划了各子模块的功能和系统组成。完成了基于FPGA的步态生成器核心板和扩展板的硬件电路设计、基于Nios II的步态生成器系统软核设计以及CAN总线和双口RAM通信程序设计。 (6)研制了四足机器人原理样机,分别进行了步态生成器与执行驱动器之间的CAN总线通信实验,机器人单腿运动控制实验,液压驱动单元的性能测试与控制实验以及机器人步态规划测试实验,验证了四足机器人机构设计的合理性,CAN总线通信协议的可靠性和实时性以及步态生成器设计和步态生成算法的正确性和有效性。 本文提出的一些理念十分新颖而不乏可行性,本文构建的一些方法十分独特而不乏可靠性,本文的研究内容与研究成果对四足机器人的理论研究与技术探索具有借鉴及参考作用。


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