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四足机器人变步态运动控制研究

伍鹏然  
【摘要】:相较于轮式机器人,足式机器人具有更好的非连续地形适应性,但在运动速度与能耗效率上,足式机器人尚低于轮式机器人。因而如何在利用足式机器人的优点的情况下,提高足式机器人运动速度与能耗效率成为足式机器人领域研究重点。为了解决机器人的大速度范围、高效运动的问题,研究四足机器人变步态运动控制有着重要的现实意义。本课题以四足机器人平面模型作为研究对象,在建立四足机器人平面动力学模型和能耗模型的基础上,以机器人的稳定性和能耗最优作为优化目标,基于粒子群算法和Matlab数值仿真平台,对机器人多种步态下的运动以及变步态运动控制方法进行了分析。首先,分析了四足机器人变步态的运动特点,建立了四足机器人变步态运动平面动力学模型;结合对平面动力学模型进行稳定性分析和能耗分析的结果,得到了四足机器人变步态平面模型。其次,为了对机器人的变步态运动进行控制,以机器人平面模型的稳定性和能耗经济性作为优化目标,得到了平面模型运动的适应性函数;基于适应性函数和粒子群智能算法,给出了一种机器人平面模型控制参数搜索方法;利用该方法对机器人的变步态运动控制参数进行规划,得到了机器人在多种步态、大速度范围下做匀速及加减速运动的稳定控制解。通过对得到的控制解组成的解集进行分析,根据不同步态的稳定性、能耗等参数随前进速度变化的关系给出了机器人的运动速度区间、各个步态的最适运动速度区间,得到了机器人变步态运动的控制参数规划结果。最后,本课题采用SimMechanics-Simulink仿真建立了四足机器人虚拟样机,设计了基于离线控制解集的虚拟样机控制策略,进行了起步、加速、、减速、渐停等一系列仿真实验。实验实现了机器人虚拟样机大速度范围、高能耗效率的多步态、变步态稳定运动,验证了基于四足机器人平面模型的变步态运动规划结果及机器人变步态控制方法的有效性。


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