本文關(guān)鍵詞：四足機(jī)器人全向運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法與穩(wěn)定性研究

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【摘要】：在足式機(jī)器人的開(kāi)發(fā)過(guò)程中,四足哺乳動(dòng)物以強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)能力得到人們的青睞,成為最佳的模仿對(duì)象。隨著液壓伺服、傳感探測(cè)、仿生控制等技術(shù)的發(fā)展,采用液壓驅(qū)動(dòng)方式的四足機(jī)器人開(kāi)始頻繁出現(xiàn)。這些液壓四足機(jī)器人適應(yīng)能力好、運(yùn)動(dòng)范圍廣、負(fù)載能力強(qiáng),是執(zhí)行山地運(yùn)輸、災(zāi)難救援、軍事偵察等任務(wù)的良好移動(dòng)平臺(tái)。但能夠執(zhí)行以上任務(wù)和困難使命的前提是液壓四足機(jī)器人必須能夠在野外環(huán)境中自由、穩(wěn)定、可靠、耐久地運(yùn)動(dòng),這也是近年來(lái)四足機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。為了提高四足機(jī)器人在野外環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)能力,本文將以所在團(tuán)隊(duì)新近研發(fā)的一款液壓四足機(jī)器人為研究對(duì)象,并對(duì)與其全向運(yùn)動(dòng)相關(guān)的若干問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)研究和深入探索。本文的具體工作及主要貢獻(xiàn)如下:(1)系統(tǒng)闡述了液壓四足機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和傳感控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性、組成方案和工作機(jī)理。闡明了機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計(jì)過(guò)程,給出了液壓系統(tǒng)的工作原理圖,并著重對(duì)集成油源的工作原理、參數(shù)要求進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。最后對(duì)機(jī)器人所使用的控制器和傳感器進(jìn)行了敘述與討論,并對(duì)液壓四足機(jī)器人最終物理樣機(jī)進(jìn)行了詳盡分析,為后續(xù)研究?jī)?nèi)容的展開(kāi)做好了準(zhǔn)備。(2)對(duì)四足機(jī)器人對(duì)角小跑步態(tài)的全向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了研究。首先將全向運(yùn)動(dòng)看作是斜向運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)的組合,并提出了基于運(yùn)動(dòng)參數(shù)矩陣法的對(duì)角小跑步態(tài)的斜向與轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)的規(guī)劃方法。受四足動(dòng)物運(yùn)動(dòng)特性的啟發(fā),提出了質(zhì)心偏移調(diào)整穩(wěn)定算法,將質(zhì)心偏移的概念及其應(yīng)對(duì)方法引入到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)矩陣中以提高機(jī)器人在全向運(yùn)動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性。為了確定質(zhì)心偏移距離,將其轉(zhuǎn)化成強(qiáng)化學(xué)習(xí)問(wèn)題,通過(guò)符號(hào)微分策略梯度法(PGSD)對(duì)相關(guān)的最優(yōu)策略進(jìn)行求解,并通過(guò)傅里葉級(jí)數(shù)擬合函數(shù)來(lái)擬合不同轉(zhuǎn)向角(斜向角)的質(zhì)心偏移距離以減少學(xué)習(xí)過(guò)程的時(shí)長(zhǎng)。同時(shí)還將質(zhì)心偏移調(diào)整穩(wěn)定算法應(yīng)用到了四足機(jī)器人在斜坡上運(yùn)動(dòng),通過(guò)PGSD的在線(xiàn)學(xué)習(xí)優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了四足機(jī)器人在未知坡度斜坡上的斜向和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng),最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文所提算法的有效性與適用性。(3)提出了一種適用于四足機(jī)器人在不規(guī)則地形條件下運(yùn)動(dòng)的全向運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法。該規(guī)劃方法基于浮動(dòng)機(jī)體運(yùn)動(dòng)學(xué)原理,可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中機(jī)器人足端著地點(diǎn)的位置自動(dòng)規(guī)劃?rùn)C(jī)體運(yùn)動(dòng)的位移和角度。這種規(guī)劃方法可以保證機(jī)器人在行走相中實(shí)現(xiàn)規(guī)劃的位移變化,在姿態(tài)調(diào)整相實(shí)現(xiàn)規(guī)劃的機(jī)體角度變化,從而使機(jī)器人能夠根據(jù)地形情況不斷地對(duì)自身狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。最后通過(guò)四足機(jī)器人攀爬臺(tái)階的仿真驗(yàn)證了本文所提算法的可行性與實(shí)用性。(4)對(duì)基于立體視覺(jué)的三維地形重建方法進(jìn)行了研究,提出了一種基于移動(dòng)選擇窗的缺失平面重建方法。該重建算法先將立體相機(jī)獲得的三維點(diǎn)云進(jìn)行網(wǎng)格化處理,然后選定不同尺寸的數(shù)據(jù)選擇窗遍歷網(wǎng)格區(qū)域,并根據(jù)平面在立體相機(jī)中成像特點(diǎn)判斷選擇窗內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)是否處于同一平面上。如果在選擇窗內(nèi)已有數(shù)據(jù)點(diǎn)近似處于同一平面上,則窗內(nèi)無(wú)數(shù)據(jù)的網(wǎng)格點(diǎn)可以根據(jù)該平面方程進(jìn)行補(bǔ)充重建,直到?jīng)]有新的重建點(diǎn)出現(xiàn)。其后通過(guò)臺(tái)階上表面的重建過(guò)程對(duì)所提算法的步驟進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明,證明了算法的規(guī)范性與有效性。(5)對(duì)四足機(jī)器人在關(guān)節(jié)鎖定故障情況下的容錯(cuò)性步態(tài)進(jìn)行了研究,通過(guò)浮動(dòng)機(jī)體運(yùn)動(dòng)學(xué)在故障關(guān)節(jié)處建立關(guān)于機(jī)體虛擬自由度的冗余度方程。根據(jù)不規(guī)則地形下的機(jī)器人全向運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法確定冗余度方程中的已知量和未知量,并通過(guò)對(duì)未知量的調(diào)節(jié)來(lái)保證已知量運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)。為了求解冗余度方程,將相應(yīng)的優(yōu)化函數(shù)引入到了擴(kuò)展雅可比矩陣中,實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)性步態(tài)的優(yōu)化控制,并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)算法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。最后,對(duì)液壓四足機(jī)器人物理樣機(jī)研制過(guò)程中所涉及的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了闡述與分析,主要包括機(jī)器人的雙腿運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn),蹲起實(shí)驗(yàn),懸空步態(tài)實(shí)驗(yàn),獨(dú)立行走實(shí)驗(yàn)等,最后在物理樣機(jī)上對(duì)本文所提出的部分控制算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TP242

【參考文獻(xiàn)】

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