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双足机器人步态规划和触地柔顺策略研究

邵晨阳  
【摘要】:由于双足机器人腿部运动与地面间非连续性接触的特点,使得它对不平整地面环境的适应能力较强,灵活性较高,特别适用于灾后救援、丛林探险等复杂环境路面下的移动,是现阶段机器人行业研究的一个热点。然而,由于双足机器人系统模型复杂且在步行过程中易受到足地间的交互冲击影响,所以解决步态的稳定性,尤其是足端触地后的柔顺性一直都是双足机器人领域里的代表性问题。结合当前该领域的研究发展,本文主要从双足机器人的步态规划和足端的触地柔顺策略为目标,进行以下研究:(1)双足机器人总体模型的建立和运动学分析。根据仿生学人体下肢运动机理分析,设计双足机器人下肢的自由度和几何尺寸并完成三维模型的建立:搭建液压驱动系统方案并解算出关节角度和液压缸之间的关系;建立双足机器人腿部的正逆运动学模型,完成各个关节角和足端位置的关系解算。(2)双足机器人的步态规划和虚拟样机仿真分析。参照人类行走步态,结合倒立摆模型和多项式插值的方法对双足机器人动步态行走进行起步阶段和周期阶段的轨迹规划;根据腿部逆运动学解算出左右腿各个关节的轨迹;基于ADAMS虚拟样机平台对双足机器人进行步态行走的仿真,获得双腿各关节轨迹、质心轨迹以及足端触地接触力等参数,通过仿真结果验证双足机器人机构设计和步态规划方法的可行性。(3)足端触地柔顺策略模型搭建和控制器性能仿真分析。在腿部足端触地动力学模型的基础上,针对阻抗柔顺控制存在的不足,将滑模控制鲁棒性强的特点运用到阻抗控制中,设计了滑模阻抗控制器并验证了控制系统的稳定性;通过仿真对比所设计的滑模阻抗控制器的性能,并进一步建立足端触地的联合仿真模型验证滑模阻抗触地柔顺策略的适用性。


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