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《哈尔滨工业大学》 2007年
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四足机器人稳定行走规划及控制技术研究

王鹏飞  
【摘要】: 在地球陆地表面,有超过50%以上的面积为崎岖不平的山丘或沼泽,仅仅依靠轮式机械无法完全实现在这些自然环境中的移动。因此,设计和制造一个类似动物能够在自然环境中步行的机器,一直以来是人类追求的目标。正是这个原因,使得仿生足式机器人的研究成为机器人研究领域的热点之一。其中四足机器人由于其既有超于二足机器人的平稳性又避免了六足机器人机构的冗余和复杂性,在工程探险、反恐防爆、军事侦察等具有良好的应用前景,开展该方面的研究具有重要的实际应用价值及社会意义。 本课题所研究的对象为足轮混合式四足机器人,其能很好的结合轮式机器人和足式机器人的优点,根据不同的环境变换轮式运动和足式运动两种运动方式,达到良好的运动灵活性和较高的移动速度的统一。论文主要针对两种运动形式中轮足锁定条件下的足式运动开展研究,在运动学分析、稳定性评价方法、步态规划、足力控制、嵌入式控制系统设计等方面寻求实用有效的设计方法。 四足机器人具有时变的运动拓扑结构,论文首先针对机器人运动学特点及要求,提出了串并联结合分析的方法,分别对摆动腿及支撑腿的逆运动学进行了分析,解决了多足机器人无法建立整体运动学的问题。同时,为了准确的评定足式机器人的行走稳定性,论文采用支撑面压力中心至各足支撑点构成的多边型各边的最短距离来作为稳定性判定准则,并由此引出了重心最小稳定距离概念及相应的稳定裕度评定方法,讨论了干扰项、重心高度、支撑面姿态以及机器人质量等参数与稳定裕度的关系。 在四足动物步态一般性描述框架下,根据不同的步态参数取值,结合机器人自身结构特点,论文规划了针对非平坦路面的间歇爬行步态和针对平坦路面的协调爬行步态,并对两种步态在稳定裕度、步行柔顺性等方面进行了对比仿真分析。最后对转弯步态和摆动足轨迹进行了规划,为机器人步态实验提供了理论依据。 针对非结构环境,为了保持四足移动机器人躯体的预定位姿,并实现摆动足从自由空间到约束空间的良好过渡,本文建立了四足移动机器人的整体受力模型和虚拟悬挂模型,采用承载能力最优的约束条件对机器人足力分配进行了优化,提出了基于足力补偿的机器人躯体位姿偏差修正算法。同时论文结合改进的基于位置的阻抗控制策略,实现了摆动足从摆动相到支撑相的良好过渡和期望的足力跟踪问题。由于基于足力的机器人控制策略避免了计算复杂的多足机器人多刚体动力学,因而具有较高的实时性和可行性。 最后,研制了四足机器人嵌入式分级递阶多关节运动控制系统,针对关节负载非线性特性,嵌入式系统采用带自调整权函数的模糊控制规则,实现了良好的关节速度跟踪。控制系统的集成化为足式机器人的离线控制奠定了基础。同时开展了关节速度位置跟踪测试、单足阻抗控制实验以及机器人在不同环境的间歇爬行步态、协调爬行步态行走实验,实验证明了理论分析的正确性。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TP242.2

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【引证文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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【二级引证文献】
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中国博士学位论文全文数据库 前1条
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5 贾文川;四足机器人脑机协作导航与规划[D];华中科技大学;2011年
6 张哲巅;湿空气扩散火焰的实验和数值研究[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2006年
7 付海峰;模袋固化土海上围埝建造方法及理论研究[D];天津大学;2006年
8 贺宁;两类材料分子性质及设计的理论研究[D];吉林大学;2009年
9 赵旦谱;非结构地形轮足式移动机器人设计与步态规划研究[D];清华大学;2010年
10 林淑英;显齿蛇葡萄中二氢杨梅素的提取纯化及抗氧化活性研究[D];华南理工大学;2004年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 范甜甜;小型四足机器人步态规划与运动稳定控制的初步研究[D];南京航空航天大学;2013年
2 王文明;四足机器人步态规划与运动控制研究[D];山东科技大学;2011年
3 王利利;基于四脚支持时间的四足机器人斜面静态步行研究及实验仿真[D];中国海洋大学;2010年
4 李冬冬;柔顺四足机器人的设计与控制研究[D];北京交通大学;2012年
5 章忠良;四足机器人运动学及动力学研究[D];电子科技大学;2012年
6 余继权;四足机器人半物理仿真及在线自诊断系统研究[D];长安大学;2013年
7 胡斌;四足机器人结构化地貌典型步态研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
8 徐艳翠;四足机器人液压驱动单元模糊滑模变结构控制研究[D];燕山大学;2013年
9 余溢;四足机器人在崎岖路面的路径规划和稳定行走研究[D];哈尔滨工业大学;2012年
10 周坤玲;四足仿生机器人高速步态规划方法研究[D];北京交通大学;2013年
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