【摘要】：六足機器人由于其自身高承載狀態(tài)下的穩(wěn)定性能以及應對極限環(huán)境時的運動能力,相較于其他類型的移動機器人,其在災害救援、工程勘探以及野外運輸?shù)阮I(lǐng)域內(nèi)具有更廣闊的應用前景,由此也吸引了諸多專家學者的廣泛關(guān)注。目前,擺在研究人員面前的關(guān)鍵問題在于,現(xiàn)階段針對六足機器人所開發(fā)的自主控制算法還無法保證其在復雜多變的真實場景中自如行走。另一方面,若完全交由操作者對機器人本體內(nèi)每一個自由度進行單獨操控的話,無形中又會增加操作者的操控負擔,起到適得其反的效果。通過分析現(xiàn)有技術(shù)手段,面向多種工況條件對于六足機器人可控性以及適應性的實際需求,開發(fā)具有一定自主能力的人在環(huán)協(xié)同操控系統(tǒng)可被視為是解決這一問題的有效手段。本文首先考慮在平坦地形下如何實現(xiàn)六足機器人穩(wěn)定、高效的雙向操控。針對六足機器人原理樣機進行本體構(gòu)型分析,考慮主從端工作空間的不匹配問題,提出半自主控制策略并確定主端位置-從端速度的映射方案。規(guī)劃六足機器人底層運動控制算法,通過跟蹤機體期望速度與實際速度的差值設計系統(tǒng)控制律,并將速度差以觸覺力的形式反饋給操作者,再根據(jù)無源性準則求解控制律參數(shù)的合理范圍。最后,基于Vortex多體動力學軟件所開發(fā)的虛擬仿真模型和Novint Falcon實物力反饋設備創(chuàng)建半物理仿真實驗系統(tǒng)并進行相關(guān)實驗,驗證本文所提出平坦地形下六足機器人半自主雙向觸覺操控方法的有效性,且能夠保證系統(tǒng)具有較好的位置-速度跟蹤性能。針對松軟地形下的六足機器人雙向操控問題,本文首先研究機器人在與地面進行動態(tài)接觸時的足-地作用機理。其中柔性足與松軟地面相互作用時所產(chǎn)生的足底滑移現(xiàn)象,導致環(huán)境端將作為一個輸入有源系統(tǒng)向從端系統(tǒng)注入額外的能量。此時,六足機器人操控系統(tǒng)的無源性將無法滿足。因此本文根據(jù)法向及切向維度內(nèi)的足-地接觸力學模型分析環(huán)境系統(tǒng)所表現(xiàn)出的潛在有源性,通過設計時域無源性控制算法實時補償足底滑移所造成的機體速度-加速度損失,以此保證松軟地形下六足機器人操控系統(tǒng)的穩(wěn)定性�；谝延械陌胛锢矸抡嫫脚_驗證所提出的控制方法能夠改善松軟地形下六足機器人雙向觸覺操控系統(tǒng)的持續(xù)跟蹤能力。針對崎嶇地形下六足機器人的多維度操控問題,本文在半自主控制模式的基礎上設計可協(xié)同調(diào)控機體速度-位姿的二維操控方法。建立腿部的等效彈簧阻尼模型,考慮復雜多變的足底界面所導致的機體波動,提出一種基于變形協(xié)調(diào)補償以及切向力最優(yōu)分配的足力優(yōu)化方法,采用虛擬阻抗控制實現(xiàn)動態(tài)跟蹤目標足力的柔順調(diào)節(jié)機制。根據(jù)虛擬懸架模型設計機體位姿層的雙向控制器,通過無源性定理證明所設計操控系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及力透明度。在原有半物理仿真實驗平臺上進行多主單從操控模式的擴展,驗證所提出操控方法在全方位運動和位姿波動補償過程中均能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定的跟蹤性能,且操作者可較好的感知從端機器人的運動狀態(tài)以及作用在機體上的環(huán)境力。在障礙地形下,本文提出一種可協(xié)同調(diào)控機體平移量與單腿位移量的雙向觸覺操控方法,能夠在保證機體穩(wěn)定裕度的同時提升六足機器人與環(huán)境交互的能力。通過將六足機器人可操作腿等效成串聯(lián)機械臂,將機體的平移等效成并聯(lián)動平臺,并進行耦合效應分析,建立單腿操作的整機運動學模型以及可操作腿的動力學模型。分別設計機體層和單腿層的操控方案,為了消除耦合作用對于機體平移的擾動,采用絕對穩(wěn)定性準則對機體層控制律參數(shù)進行確定。為了補償操作端交互力的不可測量以及模型參數(shù)不確定性對于系統(tǒng)閉環(huán)控制的影響,基于非線性力觀測器以及自適應魯棒控制器對4-CH單腿操控架構(gòu)進行改進。通過實驗驗證所提出的方法及算法能夠保證六足機器人在障礙地形下產(chǎn)生穩(wěn)定的雙向操控,提高系統(tǒng)跟蹤精度的同時兼具良好的力透明度。本文根據(jù)多變的地形條件以及任務需求,分別設計不同的且具有針對性的六足機器人雙向觸覺操控方法。研究成果可廣泛應用于六足機器人在高危、復雜場景中的控制任務,為后續(xù)的理論擴展與工程實踐提供技術(shù)支持及方案儲備。
【圖文】：

圖 1-1 ASV 六足機器人 圖 1-2 AMBLER 機器人Fig. 1-1 The ASV hexapod robot Fig. 1-2 The AMBLER robot1990 年，卡內(nèi)基梅隆大學和 JPL 聯(lián)合研發(fā)了星球探測六足機器人MBLER[30]，如圖 1-2 所示。該機器人的每條腿均為直角坐標式構(gòu)型，機器在崎嶇地形上行走時，，機體通過內(nèi)置在腿部的齒條傳動，以此調(diào)節(jié)位姿高

圖 1-1 ASV 六足機器人 圖 1-2 AMBLER 機器人Fig. 1-1 The ASV hexapod robot Fig. 1-2 The AMBLER robot1990 年，卡內(nèi)基梅隆大學和 JPL 聯(lián)合研發(fā)了星球探測六足機器人MBLER[30]，如圖 1-2 所示。該機器人的每條腿均為直角坐標式構(gòu)型，機器在崎嶇地形上行走時，機體通過內(nèi)置在腿部的齒條傳動，以此調(diào)節(jié)位姿高
【學位授予單位】：哈爾濱理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TP242

【參考文獻】

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9 高龍琴,許志峰,黃惟一,宋愛國;交互式遙操作機器人實驗平臺設計及其應用[J];東南大學學報(自然科學版);2004年06期

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本文編號：2675384