【摘要】：六足機(jī)器人由于其自身高承載狀態(tài)下的穩(wěn)定性能以及應(yīng)對(duì)極限環(huán)境時(shí)的運(yùn)動(dòng)能力,相較于其他類型的移動(dòng)機(jī)器人,其在災(zāi)害救援、工程勘探以及野外運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域內(nèi)具有更廣闊的應(yīng)用前景,由此也吸引了諸多專家學(xué)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(duì)六足機(jī)器人所開發(fā)的自主控制算法還無法保證其在復(fù)雜多變的真實(shí)場景中自如行走。另一方面,若完全交由操作者對(duì)機(jī)器人本體內(nèi)每一個(gè)自由度進(jìn)行單獨(dú)操控的話,無形中又會(huì)增加操作者的操控負(fù)擔(dān),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(duì)于六足機(jī)器人可控性以及適應(yīng)性的實(shí)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(shí)現(xiàn)六足機(jī)器人穩(wěn)定、高效的雙向操控。針對(duì)六足機(jī)器人原理樣機(jī)進(jìn)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(jī)器人底層運(yùn)動(dòng)控制算法,通過跟蹤機(jī)體期望速度與實(shí)際速度的差值設(shè)計(jì)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(zhǔn)則求解控制律參數(shù)的合理范圍。最后,基于Vortex多體動(dòng)力學(xué)軟件所開發(fā)的虛擬仿真模型和Novint Falcon實(shí)物力反饋設(shè)備創(chuàng)建半物理仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證本文所提出平坦地形下六足機(jī)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(duì)松軟地形下的六足機(jī)器人雙向操控問題,本文首先研究機(jī)器人在與地面進(jìn)行動(dòng)態(tài)接觸時(shí)的足-地作用機(jī)理。其中柔性足與松軟地面相互作用時(shí)所產(chǎn)生的足底滑移現(xiàn)象,導(dǎo)致環(huán)境端將作為一個(gè)輸入有源系統(tǒng)向從端系統(tǒng)注入額外的能量。此時(shí),六足機(jī)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(xué)模型分析環(huán)境系統(tǒng)所表現(xiàn)出的潛在有源性,通過設(shè)計(jì)時(shí)域無源性控制算法實(shí)時(shí)補(bǔ)償足底滑移所造成的機(jī)體速度-加速度損失,以此保證松軟地形下六足機(jī)器人操控系統(tǒng)的穩(wěn)定性。基于已有的半物理仿真平臺(tái)驗(yàn)證所提出的控制方法能夠改善松軟地形下六足機(jī)器人雙向觸覺操控系統(tǒng)的持續(xù)跟蹤能力。針對(duì)崎嶇地形下六足機(jī)器人的多維度操控問題,本文在半自主控制模式的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)可協(xié)同調(diào)控機(jī)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(fù)雜多變的足底界面所導(dǎo)致的機(jī)體波動(dòng),提出一種基于變形協(xié)調(diào)補(bǔ)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(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤目標(biāo)足力的柔順調(diào)節(jié)機(jī)制。根據(jù)虛擬懸架模型設(shè)計(jì)機(jī)體位姿層的雙向控制器,通過無源性定理證明所設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行多主單從操控模式的擴(kuò)展,驗(yàn)證所提出操控方法在全方位運(yùn)動(dòng)和位姿波動(dòng)補(bǔ)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(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及作用在機(jī)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(jī)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(jī)體穩(wěn)定裕度的同時(shí)提升六足機(jī)器人與環(huán)境交互的能力。通過將六足機(jī)器人可操作腿等效成串聯(lián)機(jī)械臂,將機(jī)體的平移等效成并聯(lián)動(dòng)平臺(tái),并進(jìn)行耦合效應(yīng)分析,建立單腿操作的整機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型以及可操作腿的動(dòng)力學(xué)模型。分別設(shè)計(jì)機(jī)體層和單腿層的操控方案,為了消除耦合作用對(duì)于機(jī)體平移的擾動(dòng),采用絕對(duì)穩(wěn)定性準(zhǔn)則對(duì)機(jī)體層控制律參數(shù)進(jìn)行確定。為了補(bǔ)償操作端交互力的不可測量以及模型參數(shù)不確定性對(duì)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(yīng)魯棒控制器對(duì)4-CH單腿操控架構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所提出的方法及算法能夠保證六足機(jī)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(shí)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(wù)需求,分別設(shè)計(jì)不同的且具有針對(duì)性的六足機(jī)器人雙向觸覺操控方法。研究成果可廣泛應(yīng)用于六足機(jī)器人在高危、復(fù)雜場景中的控制任務(wù),為后續(xù)的理論擴(kuò)展與工程實(shí)踐提供技術(shù)支持及方案儲(chǔ)備。
【圖文】：

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

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

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2675384