【摘要】：多足機(jī)器人肢體結(jié)構(gòu)的冗余性以及落足點(diǎn)的離散性賦予了其卓越的穩(wěn)定性和地形適應(yīng)能力。因此,一般來(lái)說(shuō),該類(lèi)機(jī)器人具有比輪式和履帶式機(jī)器人更加廣泛的在復(fù)雜地形環(huán)境下運(yùn)動(dòng)的潛質(zhì)。另一方面,多足機(jī)器人作為典型的仿生系統(tǒng),能夠充當(dāng)有效的物理平臺(tái),用以探究和驗(yàn)證自然生物的自適應(yīng)行為及潛在的控制機(jī)理,從而為我們更好地理解仿生學(xué)、生物力學(xué)、以及神經(jīng)科學(xué)等提供有力的科學(xué)媒介�；谶@些潛質(zhì)和優(yōu)勢(shì),對(duì)多足機(jī)器人相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。作為典型的多足機(jī)器人,六足機(jī)器人被給予了巨大的關(guān)注,并且已有多款性能優(yōu)異的六足機(jī)器人系統(tǒng)問(wèn)世。本文繼續(xù)以六足機(jī)器人為研究對(duì)象,目的是進(jìn)一步提高該類(lèi)機(jī)器人在復(fù)雜地形環(huán)境下的移動(dòng)能力。圍繞該問(wèn)題,從三個(gè)方面進(jìn)行了探討,分別是機(jī)器人自身特性、控制技術(shù)和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法。合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)、性能優(yōu)越的控制處理元件、功能完善的傳感設(shè)備是機(jī)器人順利完成復(fù)雜運(yùn)動(dòng)任務(wù)的基礎(chǔ)條件。本文首先介紹了研制的六足機(jī)器人平臺(tái),并對(duì)其運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了分析,從而為后續(xù)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制奠定了基礎(chǔ)。六足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是以其部分腿作為支撐共同推動(dòng)軀干、其余腿以軀干為基座向前擺動(dòng)的過(guò)程。腿部的自身特性對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能有著直接的影響。合理的腿部特性能夠提高機(jī)器人的自適應(yīng)能力,減輕其對(duì)主動(dòng)控制的依賴(lài)。為了更好地利用這些硬件“智能”,針對(duì)已確定肢節(jié)尺度和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍的六足機(jī)器人平臺(tái),進(jìn)行了腿部形態(tài)研究,通過(guò)分析軀干在垂直方向上的運(yùn)動(dòng)裕度、移動(dòng)過(guò)程中的關(guān)節(jié)力矩峰值、關(guān)節(jié)功率峰值和能量消耗,獲得了機(jī)器人的最優(yōu)腿部形態(tài);利用建立的質(zhì)量-彈簧足地交互模型,研究了腿部末端柔性對(duì)機(jī)器人著地沖擊的緩沖效用,以沖擊裕度、沖擊時(shí)間為評(píng)價(jià)指標(biāo)比較了不同非線性程度的末端柔性行為,結(jié)果顯示下凸的腿部末端柔性能夠更好地緩沖足端著地時(shí)的地面沖擊;基于Hill肌肉模型建立了具有并聯(lián)柔性的機(jī)器人關(guān)節(jié)模型,利用該模型分析了不同特點(diǎn)的并聯(lián)柔性行為對(duì)關(guān)節(jié)抗干擾性和能量效率的影響,發(fā)現(xiàn)下凸的關(guān)節(jié)并聯(lián)柔性有利于實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中抗干擾性能和能耗性能的最佳平衡,為機(jī)器人關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)和控制提供理論參考的同時(shí),也為生物現(xiàn)象提供了一種可能的解釋。恰當(dāng)?shù)目刂拼胧┯兄谔岣邫C(jī)器人步行的穩(wěn)定性和對(duì)地形的適應(yīng)性�；谏鲜鐾炔磕┒巳嵝缘难芯砍晒�,重新設(shè)計(jì)了六足機(jī)器人末端柔性參數(shù),并通過(guò)主動(dòng)控制補(bǔ)償分別實(shí)現(xiàn)了下凸的末端柔性行為和下凸的關(guān)節(jié)并聯(lián)柔性行為;以提高機(jī)器人穩(wěn)定裕度為出發(fā)點(diǎn),提出了機(jī)器人軀干控制策略;提出了六足機(jī)器人確定位姿下各支撐腿足力的求解方法,并運(yùn)用基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)阻抗控制對(duì)各足力進(jìn)行控制,該方法可根據(jù)機(jī)器人的反饋信息分別對(duì)慣量參數(shù)、阻尼參數(shù)和剛度參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算調(diào)整,提高了機(jī)器人的適應(yīng)能力。為了進(jìn)一步提高機(jī)器人在復(fù)雜地形環(huán)境下的適應(yīng)能力和步行效率,基于已經(jīng)獲得的地面柵格模型和確定的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑,研究了基于地形信息的六足機(jī)器人全身軌跡規(guī)劃方法。首先,基于機(jī)器人足端形狀提出了地形局部特征提取方法,利用支持向量機(jī)獲得了可落足性函數(shù)用以評(píng)估地形某一位置的可落足程度,并在此基礎(chǔ)上,結(jié)合各候選落足點(diǎn)構(gòu)成的支撐多邊形提出了六足機(jī)器人落足點(diǎn)選取策略;分析了軀干運(yùn)動(dòng)過(guò)程中穩(wěn)定性的變化過(guò)程,并基于此設(shè)計(jì)了六足機(jī)器人支撐腿軌跡規(guī)劃方法;基于最優(yōu)控制思想建立了擺動(dòng)腿軌跡規(guī)劃模型,在充分考慮機(jī)器人自身及地形約束的情況下,以足端加加速度為優(yōu)化目標(biāo)采用高斯偽譜法進(jìn)行了求解,獲得了無(wú)碰撞、自然且與地形相匹配的腿部擺動(dòng)軌跡。實(shí)驗(yàn)研究是六足機(jī)器人開(kāi)發(fā)的重要環(huán)節(jié)。利用建立的六足機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展了一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,以進(jìn)一步分析和評(píng)估所提出的理論和方法的有效性。進(jìn)行了機(jī)器人腿部末端柔性實(shí)驗(yàn),通過(guò)測(cè)量足端力的變化和末端柔性的變形過(guò)程,對(duì)前文的理論進(jìn)行驗(yàn)證;開(kāi)展了軀干控制實(shí)驗(yàn),以測(cè)試前述軀干控制策略的有效性;分別進(jìn)行了擺動(dòng)軌跡規(guī)劃實(shí)驗(yàn)和支撐腿軌跡規(guī)劃實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了基于地形信息的六足機(jī)器人全身軌跡規(guī)劃方法的有效性;同時(shí),支撐腿軌跡規(guī)劃實(shí)驗(yàn)也進(jìn)一步驗(yàn)證了前文中落足點(diǎn)識(shí)別和選取方法的可行性;最后,通過(guò)輕度崎嶇地形步行實(shí)驗(yàn),評(píng)估了提出的機(jī)器人腿部自適應(yīng)阻抗控制算法及位姿調(diào)整算法的有效性,通過(guò)不規(guī)則波浪形地形步行實(shí)驗(yàn)對(duì)本文所提方法的綜合效用進(jìn)行了評(píng)估,結(jié)果顯示機(jī)器人成功地穿越了該復(fù)雜地形,順利地完成了給定的行走任務(wù)。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TP242
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文能的傳感器，包括足端六維力傳感器、關(guān)節(jié)力矩傳感器、電位計(jì)、陀螺儀和加速度計(jì)等，用以實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)器人的自身狀態(tài)。除此之外，該六足機(jī)器人還裝備有雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)用于路徑導(dǎo)航。在控制系統(tǒng)方面，采用分層控制的思想，自下而上分為步行執(zhí)行層、導(dǎo)航層和任務(wù)規(guī)劃層。其中，步行執(zhí)行層用于根據(jù)選取的路徑和步態(tài)生成相應(yīng)的關(guān)節(jié)軌跡；導(dǎo)航層主要基于雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)，感知外界環(huán)境并規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的行進(jìn)路徑；任務(wù)規(guī)劃層負(fù)責(zé)接收上級(jí)的任務(wù)指令。足端軌跡基于四次多項(xiàng)式生成，并且加入了一系列的控制、調(diào)整策略以提高機(jī)器人對(duì)崎嶇地形的適應(yīng)能力。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文能的傳感器，包括足端六維力傳感器、關(guān)節(jié)力矩傳感器、電位計(jì)、陀螺儀和加速度計(jì)等，用以實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)器人的自身狀態(tài)。除此之外，該六足機(jī)器人還裝備有雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)用于路徑導(dǎo)航。在控制系統(tǒng)方面，采用分層控制的思想，自下而上分為步行執(zhí)行層、導(dǎo)航層和任務(wù)規(guī)劃層。其中，步行執(zhí)行層用于根據(jù)選取的路徑和步態(tài)生成相應(yīng)的關(guān)節(jié)軌跡；導(dǎo)航層主要基于雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)，感知外界環(huán)境并規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的行進(jìn)路徑；任務(wù)規(guī)劃層負(fù)責(zé)接收上級(jí)的任務(wù)指令。足端軌跡基于四次多項(xiàng)式生成，并且加入了一系列的控制、調(diào)整策略以提高機(jī)器人對(duì)崎嶇地形的適應(yīng)能力。

圖 1-3 機(jī)器人 Lauron IV[21-24]Fig. 1-3 Robot Lauron IV圖 1-4 機(jī)器人 Lauron V[21-24]Fig. 1-4 Robot Lauron V圖 1-5 機(jī)器人 ANTON[25]Fig. 1-5 Robot ANTON圖 1-6 機(jī)器人 HECTOR[26-29]Fig. 1-6 Robot HECTORHECTOR 是由德國(guó)比勒菲爾德大學(xué)研制的六足機(jī)器人[26-29]，如圖 1-6 所示。該機(jī)器人長(zhǎng)約 95cm，每條腿長(zhǎng)約 57.2cm，各腿部具有 3 個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。與機(jī)器人ANTON 類(lèi)似，其軀干也由三部分組成，每一段與左右兩條腿相連。該機(jī)器人與其他機(jī)器人相比最大的特點(diǎn)在于其高集成度的關(guān)節(jié)單元中包含有串聯(lián)柔性元素，可生成非線性的柔性行為以保護(hù)電機(jī)和傳遞系統(tǒng)，并且可以?xún)?chǔ)存能量提高機(jī)器人的能量效率。

【參考文獻(xiàn)】

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2 黃麟;韓寶玲;羅慶生;徐嘉;;仿生六足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃策略實(shí)驗(yàn)研究[J];華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2007年12期

3 葉培建;彭兢;;深空探測(cè)與我國(guó)深空探測(cè)展望[J];中國(guó)工程科學(xué);2006年10期

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5 王國(guó)勝;支持向量機(jī)的理論與算法研究[D];北京郵電大學(xué);2008年

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3 王曉麗;MOTOMAN機(jī)器人軌跡規(guī)劃和控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D];西安科技大學(xué);2009年

本文編號(hào)：2789773