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《哈尔滨工业大学》 2013年
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六足步行机器人自然地形下全方位运动规划策略研究

赵龙海  
【摘要】:六足步行机器人是具有冗余驱动、多支链和时变拓扑的特种机器人。其优点是机动性强,地形适应性好,故障容许度高,而且能够实现多足协调的复杂作业,但也有运动效率较低的缺点。目前很多学者致力于六足步行机器人的运动规划策略研究,以降低能耗、改善运动步态、平衡足端力、平衡关节力矩等途径提高机器人运动稳定性的研究成果层出不穷,却鲜见能同时保证运动效率和稳定性的全方位运动规划策略。而且现有的研究大多数均基于结构化地形,对自然地形的情况研究较少。因此,研究六足步行机器人在自然地形中全方位运动规划策略填补了现有研究的空缺,具有重要意义。 本文详细讨论六足步行机器人的参数化建模方法与运动学、动力学问题。利用螺旋理论和指数积公式分析单足运动学、工作空间和机器人系统运动学,并且完成了机器人的静力学、动力学分析。 在此基础上,研究机器人静平衡理论,提出单位最优运动稳定裕度的概念并设计出解析法和数值法两种求解算法,定量分析步长系数、偏航角、落足多边形的形参数和位参数等因素对六足步行机器人高效运动过程中静平衡的影响,提出一种通用的稳定性评价标准,实现稳定裕度的主动控制。 以稳定性要求和运动效率要求为背景,结合地形分析,设计出六足步行机器人在自然地形中全方位运动的路径规划方法、落足点选取方法、躯干运动规划方法和足端轨迹规划方法,并通过机器人系统逆运动学求解运动规划策略得到了各关节轨迹。综合运动规划中各方法,设计了通用的六足步行机器人自然地形全方位运动规划与仿真算法。 对规划结果进行运动学仿真和动力学仿真验证。根据六足步行机器人的运动规划仿真结果和动力学仿真结果,通过对比两种仿真环境下机器人的行走路径,验证了路径规划算法;同时通过对比机器人的姿态曲线验证了躯干运动规划方法;根据不同结构参数的六足步行机器人相同地形相同路径下的运动仿真结果,对六足步行机器人运动过程中的一系列落足三角形进行详细分析,验证了落足点选取方法;对各关节轨迹及相互关系分析,验证了足端轨迹规划方法;通过对比所有机器人运动过程中的单位最优运动稳定裕度曲线,验证了稳定性评价标准和各机器人的运动稳定性;通过样机实验验证了六足步行机器人自然地形下全方位运动规划算法。 实验结果表明,兼顾运动效率与稳定性的六足步行机器人自然地形全方位运动规划算法能够成功应用于各种结构参数的六足步行机器人,对六足步行机器人的进一步研究和推广应用具有实际价值。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TP242

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