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单腿失效的六足机器人稳调整策略与步态规划

李鲲鹏  
【摘要】:六足机器人在危险或灾难环境中运动时,腿部容易发生故障并且无法及时进行人工修复。如果故障机器人可以根据当前情况找到能够让其继续运动的步态,则认为机器人在当前故障情况下可以进行容错运动,这样会提高六足机器人在未知环境中的适用性。本文对六足机器人在运动过程中,支撑腿发生单腿失效时的稳定性进行分析,并根据当前情况利用余下正常腿生成新的步态。具体内容有以下四个部分:1、当六足机器人处于三角步态运动时,对支撑腿发生单腿失效时的情况进行失稳分析;分别对单腿失效六足机器人的力、力矩平衡、实时重心等参量进行求解分析;利用零力矩点法和力-角稳定锥法相结合对单腿失效六足机器人进行稳定性分析,从而确定机器人是否发生失稳倾翻。2、根据单腿失效六足机器人失稳倾翻特点,构建有效的支撑平面;计算求出调整腿足端可达空间的解析解,采用调整腿力臂极大化的方法选择调整腿的落足点;求出关节驱动和调整时间的约束条件,在调整时间内对调整腿的落足点进行确认;当单腿失效的六足机器人达到静态稳定时,将机体位姿调整至下一运动状态的初始位姿。3、根据失稳判定流程对单腿失效六足机器人的动态稳定性进行分析,得到一组相对稳定的容错步态;对CPG网络拓扑结构及权重矩阵进行分析得到基本节律运动信号;设计一种基于中枢模式发生器(CPG)的自适应容错步态控制方法,分别对CPG模型的节律发生层(RG)和模式发生层(PF)进行构建;对A4腿发生失效的情况进行数值模拟,通过MATLAB仿真得到自适应容错步态下的关节输出信号曲线。4、用Adams与MATLAB联合仿真搭建机器人的模型及控制系统,分别对失稳调整策略和自适应容错步态进行仿真验证;结果表明失稳调整策略可以防止机器人在运动过程中支撑腿发生单腿失效而引起的机体倾翻;将基于CPG的自适应容错步态与常规容错步态进行仿真对比,通过对比采集足端受力、驱动力矩、稳定裕度等数据信息,验证了自适应容错步态具有更好的稳定性及有效性。


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