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液压四足机器人的步态规划研究

杨超峰  
【摘要】:地球上一半以上的陆地面积是崎岖不平的山地、丘陵、丛林等复杂地形,现有的轮式机器人及履带式机器人在此复杂环境下很难快速稳定地行走,而仿生四足机器人具有自然界四足哺乳动物灵活的特点,能够在复杂非结构地形环境中稳定快速行走,并完成军民物质运输、救灾救险、野外探险等任务。而步态规划是仿生四足机器人在复杂环境中稳定行走的基础,是其研究领域中的一个重要内容,对机器人适应复杂环境、提高稳定性、降低能耗、提高动态性能等方面都有重要的意义。 本课题以实验室自主设计研发的液压四足机器人为研究平台,针对基于机器人模型的步态规划方法进行研究。 首先,采用D-H参数法对四足机器人进行运动学模型建立,并针对运动学冗余机器人的逆运动学求解问题,提出基于性能优化函数的扩展雅可比矩阵方法,实现了冗余机器人逆运动学的解析解,并和常用的梯度投影法进行了仿真比较,验证了所提方法的有效性、可行性。为了减小机器人足端落地时的冲击力,研究了一种基于改进的复合摆线的足端轨迹规划方法,避免了机器人抬腿时的急动,减小了机器人腿落地的冲击力度。为实现机器人的匀速运动,提出了一种基于多项式和直线组合的匀速足端轨迹规划方法,并最后通过仿真验证了这两种方法的有效性。 针对四足机器人的静步态规划,本文提出了一种直行walk步态规划方法,具有能量消耗低等优点,比较适合平面运动;为了提高稳定裕度,研究了一种基于次优三角形内心的Z形walk步态规划方法,可通过机器人躯干质心调整获得较大的稳定裕度,比较适用于复杂地形中的运动。最后通过MATLAB和ADAMS的联合仿真实现了四足机器人在平面上及斜坡上的walk步态运动,验证了所提算法的有效性。 针对机器人动步态规划的研究,首先,结合足端轨迹规划方法,实现了四足机器人在平面上trot步态的稳定行走。为了提高四足机器人在斜坡上行走的稳定性,提出了一种基于机器人足端角度调整的策略,来提高机器人的稳定性。随后又对四足机器人的侧向对角步态规划进行了分析研究,先分析了其水平侧向稳定性,并通过侧向对角步态的仿真实现了机器人侧向对角步态运动。然后针对四足机器人受到侧向冲击后保持稳定的问题,提出了基于足端位置修正的侧向步态调整方法。最后通过MATLAB和ADAMS的联合仿验证了本文所提方法的有效性。 本文在最后针对四足机器人的静步态walk步态、动步态trot步态进行了实际样机实验,实验结果验证了所提步态规划算法的有效性和可行性。


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