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多足步行机器人运动及力规划研究

王新杰  
【摘要】:多足步行机器人具有较强的机动性和适应不平地面的能力,能完成多种机器人工作,已激发广大研究人员的研究兴趣,其研究具有重要的科学意义和实际应用价值。本文针对复杂环境下多足步行机器人的爬行运动学、动力学及力规划、稳定性及步态生成与控制等理论和技术问题,开展了系统的研究工作。 本文的研究工作主要包括:第一,将多足步行机器人作为一个整体运动链系统,通过机器人机构的自然约束分析,研究了机器人冗余驱动和独立驱动位置和速度的关系。在此基础上,研究了爬行运动的运动学问题,包括对位置、速度和加速度问题的正/逆运动学过程的研究。第二,在运动学分析的基础上,建立了多足步行机器人运动的动力学方程,分析了机器人稳定步行时应遵循的各种约束。通过将非线性不等式的摩擦锥约束变换为线性等式和线性不等式的组合约束、消元等式约束、求解平方优化方程等方法,提出了一种多足步行机器人腿力分配的新方法。第三,利用机构运动的空间几何关系,导入了多足机器人在任何姿态条件下立足点的静态稳定区域的概念,从而提出了一种新颖的机器人静态稳定性分析方法,用于步态的生成和稳定性的判断。通过变拓扑机构协调运动分析,研究了多足步行机器人在不平地面上平动爬行和定点转弯爬行时的最大步幅,研究了这类机器人平动爬行和定点转弯爬行步态自动生成的数学描述方法。在此基础上,提出了一种多足步行机器人全方位、连续爬行的步态生成算法。第四,以自主研制开发的多足步行机器人为对象,进行了机器人运动规划与控制的实验,实验结果充分证明了本文所提方法的正确性和有效性。 本文的研究极大地扩展和深化了目前多足步行机器人的相关研究,主要创新性体现在以下几个方面:首先,提出了多足步行机器人整体运动学建模方法,补充了现有研究工作中的不足; 其次,通过显函数形式表达并改进了静态稳定性分析,在此基础上提出在步态自然过渡、最大步幅和爬行机动性等方面均超越传统方法的步态生成新方法,使得机器人可以完成连续的、全方位的步行运动; 最后,基于多足步行动力学建模和混合约束求解,提出了新颖的足力分配方法,该方法在运算的实时性、规划解的质量以及应用范围等方面均超过了现有算法。


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