【摘要】：步行機(jī)器人具有比輪式機(jī)械更佳的崎嶇路面通過能力,因而在緊急救災(zāi)作業(yè)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。其中,六足機(jī)器人因其優(yōu)良的靜態(tài)穩(wěn)定性和冗余容錯(cuò)能力,是理想的移動(dòng)救災(zāi)作業(yè)平臺(tái)。但是,當(dāng)前六足機(jī)器人大多采用仿昆蟲的匍匐型姿態(tài)和傳統(tǒng)的靜態(tài)步態(tài)規(guī)劃手段,限制了其動(dòng)態(tài)行走性能的提升。本文針對(duì)緊急救災(zāi)作業(yè)任務(wù)的實(shí)際需求,以仿生學(xué)為切入點(diǎn),研制了一種采用直立姿態(tài)和并聯(lián)腿部構(gòu)型的大型重載六足機(jī)器人,并提出了一種采用多模式主動(dòng)柔順控制策略的動(dòng)態(tài)三足交替步態(tài)控制方法,提高了該機(jī)器人的行走速度、能效和起伏路面上的通過能力。為此,本文對(duì)六足機(jī)器人的機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)性能優(yōu)化、步態(tài)控制方法、控制穩(wěn)定性模型,以及步態(tài)能耗優(yōu)化等問題進(jìn)行了系統(tǒng)研究,主要內(nèi)容如下所列:1)針對(duì)緊急救災(zāi)作業(yè)需求,提出了一種仿哺乳動(dòng)物直立型姿態(tài)的并聯(lián)式機(jī)器人腿機(jī)構(gòu)構(gòu)型,并以此構(gòu)型為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一款新型大型重載六足機(jī)器人。該設(shè)計(jì)將六足動(dòng)物的穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)和哺乳動(dòng)物型腿快速運(yùn)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來,同時(shí)使機(jī)器人的關(guān)鍵元件得到集中防護(hù),提高了系統(tǒng)可靠性。2)建立了上述腿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)行走性能模型,給出了腿機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)行走工況下的綜合性能指標(biāo),并基于該指標(biāo)對(duì)該腿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了性能優(yōu)化設(shè)計(jì)。然后,研制了具有快速動(dòng)態(tài)行走能力的救災(zāi)六足機(jī)器人樣機(jī)——HexbotIV,并搭建了其硬件和軟件系統(tǒng)。3)提出了一種新的六足機(jī)器人三足交替步態(tài)控制方法,通過多模式的腿部主動(dòng)柔順控制和針對(duì)六足三足交替步態(tài)的狀態(tài)機(jī),實(shí)現(xiàn)了整個(gè)機(jī)器人的SLIP動(dòng)力學(xué),并對(duì)身體姿態(tài)采用閉環(huán)控制,實(shí)現(xiàn)了大型重載六足機(jī)器人動(dòng)態(tài)三足交替步態(tài)的穩(wěn)定快速行走。通過仿真和樣機(jī)實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了該步態(tài)控制方法的有效性。4)建立了六足機(jī)器人動(dòng)態(tài)三足交替步態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性模型,將多腿動(dòng)力學(xué)和單腿主動(dòng)柔順控制模型納入穩(wěn)定性模型中,并對(duì)步態(tài)控制算法的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,揭示了各控制器參數(shù)的對(duì)其穩(wěn)定性的影響規(guī)律。通過仿真和實(shí)驗(yàn),探究了在地形起伏擾動(dòng)下機(jī)器人動(dòng)態(tài)步態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)過程,驗(yàn)證了本文所提出的步態(tài)控制方法在地形起伏擾動(dòng)下的穩(wěn)定性。5)對(duì)六足機(jī)器人樣機(jī)在動(dòng)態(tài)三足交替步態(tài)下的能耗進(jìn)行了分析。提出了一種在線步態(tài)能耗優(yōu)化算法,通過梯度估計(jì)模型避免了模型誤差和策略誤差的影響,實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人步態(tài)參數(shù)的在線自動(dòng)整定,使步態(tài)能耗得到顯著降低。本文的研究可以為六足機(jī)器人的設(shè)計(jì)和控制提供有價(jià)值的參考,為高性能移動(dòng)救災(zāi)作業(yè)機(jī)器人的實(shí)用化打下基礎(chǔ)。
【圖文】：

控制、自由步態(tài)、監(jiān)督控制等多方面的研究[19, 21-23]。1983 年，美國(guó) Odetics 公司推出ODEX I 型機(jī)器人[24]（圖 1-1(c)），并在 1986 年研制了其后續(xù)版本 Robin[25]，旨在代替人完成核電站的部分作業(yè)任務(wù)。1985 年，俄亥俄州立大學(xué)進(jìn)一步研制了 AdaptSuspension Vehicle（ASV）大型重載機(jī)器人[26-28]。該機(jī)器人采用內(nèi)燃機(jī)和液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)尺寸達(dá)到了 5.2m×2.4m×3.0m，自重 2.7 噸，承載約 220kg，由一個(gè)駕駛員操縱其行走（1-1(d)）。日本港灣技術(shù)研究所于 1985 年研制了 AQUARobot 水下六足機(jī)器人[9]（圖1(e)），用于海底地形探測(cè)和海底施工監(jiān)測(cè)。(a) Masha[17](b) OSU Hexapod[19]

從而幫助機(jī)器人完成復(fù)雜的步行動(dòng)作。1995 年，德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)研M 步行器[31]（圖 1-2 (a)）。該機(jī)器人總重 18kg，采用仿竹節(jié)蟲構(gòu)造的細(xì)長(zhǎng)型腿高的載荷能力。另一方面，大型機(jī)器人的研究也在繼續(xù)。1989 年，美國(guó)卡耐基研制了一款用于行星探測(cè)的六足步行機(jī)器人 Ambler[7, 32, 33]（圖 1-2 (d)），尺寸4.5m×5m。Ambler 的腿部采用了 SCARA 構(gòu)型。六條腿分為兩組，，每組中的三一個(gè)關(guān)節(jié)在同一軸線上，使其可以靈活選擇落腳點(diǎn)。Katherina[34]（圖 1-2(e)）勞恩霍夫協(xié)會(huì)研制的正六邊形布局六足機(jī)器人，可以執(zhí)行鉆孔等作業(yè)任務(wù)。(a) TUM Walking Machine[31](b) Genghis[29]
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TP242

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本文編號(hào)：2626612