【摘要】：步行機器人具有比輪式機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,六足機器人因其優(yōu)良的靜態(tài)穩(wěn)定性和冗余容錯能力,是理想的移動救災(zāi)作業(yè)平臺。但是,當前六足機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,限制了其動態(tài)行走性能的提升。本文針對緊急救災(zāi)作業(yè)任務(wù)的實際需求,以仿生學為切入點,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器人,并提出了一種采用多模式主動柔順控制策略的動態(tài)三足交替步態(tài)控制方法,提高了該機器人的行走速度、能效和起伏路面上的通過能力。為此,本文對六足機器人的機構(gòu)構(gòu)型設(shè)計、機構(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)化等問題進行了系統(tǒng)研究,主要內(nèi)容如下所列:1)針對緊急救災(zāi)作業(yè)需求,提出了一種仿哺乳動物直立型姿態(tài)的并聯(lián)式機器人腿機構(gòu)構(gòu)型,并以此構(gòu)型為基礎(chǔ)設(shè)計了一款新型大型重載六足機器人。該設(shè)計將六足動物的穩(wěn)定性優(yōu)勢和哺乳動物型腿快速運動的優(yōu)勢結(jié)合起來,同時使機器人的關(guān)鍵元件得到集中防護,提高了系統(tǒng)可靠性。2)建立了上述腿機構(gòu)的運動學模型和動態(tài)行走性能模型,給出了腿機構(gòu)動態(tài)行走工況下的綜合性能指標,并基于該指標對該腿機構(gòu)進行了性能優(yōu)化設(shè)計。然后,研制了具有快速動態(tài)行走能力的救災(zāi)六足機器人樣機——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器人三足交替步態(tài)控制方法,通過多模式的腿部主動柔順控制和針對六足三足交替步態(tài)的狀態(tài)機,實現(xiàn)了整個機器人的SLIP動力學,并對身體姿態(tài)采用閉環(huán)控制,實現(xiàn)了大型重載六足機器人動態(tài)三足交替步態(tài)的穩(wěn)定快速行走。通過仿真和樣機實驗,驗證了該步態(tài)控制方法的有效性。4)建立了六足機器人動態(tài)三足交替步態(tài)系統(tǒng)的動力學穩(wěn)定性模型,將多腿動力學和單腿主動柔順控制模型納入穩(wěn)定性模型中,并對步態(tài)控制算法的穩(wěn)定性進行了分析,揭示了各控制器參數(shù)的對其穩(wěn)定性的影響規(guī)律。通過仿真和實驗,探究了在地形起伏擾動下機器人動態(tài)步態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)過程,驗證了本文所提出的步態(tài)控制方法在地形起伏擾動下的穩(wěn)定性。5)對六足機器人樣機在動態(tài)三足交替步態(tài)下的能耗進行了分析。提出了一種在線步態(tài)能耗優(yōu)化算法,通過梯度估計模型避免了模型誤差和策略誤差的影響,實現(xiàn)了機器人步態(tài)參數(shù)的在線自動整定,使步態(tài)能耗得到顯著降低。本文的研究可以為六足機器人的設(shè)計和控制提供有價值的參考,為高性能移動救災(zāi)作業(yè)機器人的實用化打下基礎(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 Odetics 公司推出ODEX I 型機器人[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，俄亥俄州立大學進一步研制了 AdaptSuspension Vehicle（ASV）大型重載機器人[26-28]。該機器人采用內(nèi)燃機和液壓系統(tǒng)驅(qū)動尺寸達到了 5.2m×2.4m×3.0m，自重 2.7 噸，承載約 220kg，由一個駕駛員操縱其行走（1-1(d)）。日本港灣技術(shù)研究所于 1985 年研制了 AQUARobot 水下六足機器人[9]（圖1(e)），用于海底地形探測和海底施工監(jiān)測。(a) Masha[17](b) OSU Hexapod[19]

從而幫助機器人完成復雜的步行動作。1995 年，德國慕尼黑工業(yè)大學研M 步行器[31]（圖 1-2 (a)）。該機器人總重 18kg，采用仿竹節(jié)蟲構(gòu)造的細長型腿高的載荷能力。另一方面，大型機器人的研究也在繼續(xù)。1989 年，美國卡耐基研制了一款用于行星探測的六足步行機器人 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，，每組中的三一個關(guān)節(jié)在同一軸線上，使其可以靈活選擇落腳點。Katherina[34]（圖 1-2(e)）勞恩霍夫協(xié)會研制的正六邊形布局六足機器人，可以執(zhí)行鉆孔等作業(yè)任務(wù)。(a) TUM Walking Machine[31](b) Genghis[29]
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TP242

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本文編號：2626612