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六自由度双足机器人步行研究

周雪峰  
【摘要】:双足步行机器人具有机动性高、环境适应能力以及在离散介质上运动能力强等优点,一直是国内外机器人领域的研究热点之一。传统的主动式双足步行机器人虽然具有很强的步行能力,但是自由度数多、结构复杂、控制困难;而被动式或半被动式双足机器人虽然自由度数少,但是步行能力弱。针对上述不足,本文设计开发了一种六自由度双足步行机器人系统Bibot-U6,并围绕该新型系统从构型设计、稳定性分析和步态规划三个方面进行了系统深入的研究。主要内容如下: (1)提出和实现了六自由度双足主动步行机器人Bibot-U6的构建,并分别采用指数积方法和Featherstone方法对Bibot-U6进行了运动学和动力学建模。 (2)对摩擦约束下的步行稳定性进行了研究。传统的步行机器人在低速步行时只需考虑ZMP指标,即保证步行过程中机器人不会倾倒。但当支撑脚与地面之间的摩擦力较小或机器人高速步行以及转弯等情况下必须考虑步行过程中可能出现的支撑脚与地面之间的滑移或滑转。由于Bibot-U6步态的特殊性,除了可能发生倾倒,滑转情况也可能出现。为此,本文首先分析了步行过程中圆形脚和矩形脚与地面之间的接触情况,提出了接触模型,并基于该模型讨论了ZMP、摩擦力约束以及两者之间的关系,提出了新的稳定性判据。该判据可以有效判断步行过程中机器人是否会倾倒和滑转。 (3)根据Bibot-U6系统的特点,在新的稳定性判据的基础上,提出和实现了水平地面上扭转、横移、翻转三种步态以及轮足混合运动方式。其中为了解决高速扭转产生的滑转问题,本文提出了垂直力矩补偿的方法。最后通过仿真和实验验证了平地步态规划算法的有效性和可靠性。 (4)将平地上基本步态推广和扩展到斜面和阶梯上,通过增加脚与地面之间的虚拟被动自由度实现了Bibot-U6机器人斜面步行和上下阶梯。对于斜面步行,提出了一种基于力传感器和编码器的斜面倾角测定方法,并通过落脚控制实现了平地和斜面之间的过渡。对于上下阶梯,提出了上阶梯步态、翻越阶梯步态和下阶梯步态的运动规划。最后通过实验对这些规划方法进行了验证。此外,对Bibot-U6机器人的步行能力进行了分析,并给出了结构参数对步行稳定性的影响,这对双足步行机器人的设计具有指导和参考作用。


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