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仿蟹机器人步态规划及复杂地貌行走方法研究

王刚  
【摘要】:针对仿蟹机器人复杂地貌行走时需要解决的步行足冲击力、机体稳定性差等技术问题,在机器人步行足轨迹规划、步态方法及柔顺控制等方面开展了理论与实验研究工作。 提出了仿蟹机器人结构方案,包括:模块化关节、扁形弹性足尖结构、步行足以及躯体结构等。并从正运动学和逆运动学两方面对仿蟹机器人步行足以及机体的运动性能进行了分析和仿真。根据仿蟹机器人步行足关节角度的约束,利用搜索法求解步行足以及整机的可达工作空间。 研究了仿蟹机器人步行足末端轨迹规划问题,采用三次样条曲线对仿蟹机器人步行足末端轨迹进行了规划。提出了自适应轨迹规划原理和轨迹库的基本建立方法与其调用机制。建立了虚拟样机系统的控制系统和仿真模型,对仿蟹机器人在复杂地形情况行走进行仿真分析,证明了仿蟹机器人较强的复杂地形适应能力。 通过分析生物螃蟹的运动特点,对仿蟹机器人步行足的步序关系及步态参数进行了规划研究,提出了一种步态规划方法。依据静稳态条件,将机器人步行足依z字形分组,通过调节组内先后摆动的两步行足间的相位因子调整步序,并提出交错等相位波形步态。建立了步态参数方程,计算了步行足占空比,利用能耗比分析了相位因子与占空比变化对步态能量损耗的影响。步态仿真分析表明,随着占空比增大,能耗比值呈线性增加趋势,当占空比等于0.454,相位因子等于0.25时,躯体可以获得较高的移动速度和较好的运动稳定性,运动能量损耗最小。与双四足步态相比,机器人具有良好的行走稳定性和较低的能耗比。 提出了仿蟹机器人的柔顺控制方法。分析了步行足与环境的接触模型,采用基于位置阻抗的柔顺控制方法,建立了机器人控制策略仿真模型。仿真结果表明采用柔顺控制的机器人在行走过程中的冲击力得到了抑制,步行足末端受力能够迅速稳定,无波动现象,说明该控制方法适用于机器人的行走控制。同时,由于处于摆动相与支撑相的步行足受到的外部环境干扰不同,特别是力信号的差异对控制的影响,将模糊控制器应用到步行足单关节的位置控制中,并进行了仿真分析与实验研究。结果表明模糊控制对力参数的变化具有较强的鲁棒性,适合作关节位置控制系统的控制器。 研制仿蟹机器人实验样机,构建了测量实验平台,对仿蟹机器人复杂地形的运动性能进行了实验研究,为仿蟹机器人的深入研究奠定了基础。利用dSPACE实时仿真系统进行了仿蟹机器人步态实验,并对仿蟹机器人实验样机进行了平面运动和斜坡运动的测试。通过不同速度下的交错等相位波形步态与双四足步态的对比实验,验证了交错等相位波形步态的可行性,实验结果表明交错等相位波形步态在运动过程中,速度变化平稳,重心波动小,具有良好的运动稳定性。 通过引入柔顺控制策略解决了仿蟹机器人行走时步行足冲击力的问题,消除了冲击力对步行足的影响。通过柔顺控制实验,对系统刚度变化进行了测试,实验结果表明,在该控制策略的作用下,机器人具有良好的柔顺性,在步行足受到冲击力时能够产生良好的缓冲作用。 仿蟹机器人在行走过程中具有较高的运动稳定性,其冗余肢体结构使其能在复杂环境中仍保持稳定状态,即使个别关节出现故障仍然可以完成作业,具有较强的地形适应性。


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