本文關鍵詞：四足機器人全向運動規(guī)劃方法與穩(wěn)定性研究

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【摘要】：在足式機器人的開發(fā)過程中,四足哺乳動物以強大的運動能力得到人們的青睞,成為最佳的模仿對象。隨著液壓伺服、傳感探測、仿生控制等技術的發(fā)展,采用液壓驅動方式的四足機器人開始頻繁出現(xiàn)。這些液壓四足機器人適應能力好、運動范圍廣、負載能力強,是執(zhí)行山地運輸、災難救援、軍事偵察等任務的良好移動平臺。但能夠執(zhí)行以上任務和困難使命的前提是液壓四足機器人必須能夠在野外環(huán)境中自由、穩(wěn)定、可靠、耐久地運動,這也是近年來四足機器人領域的研究熱點。為了提高四足機器人在野外環(huán)境中的運動能力,本文將以所在團隊新近研發(fā)的一款液壓四足機器人為研究對象,并對與其全向運動相關的若干問題進行系統(tǒng)研究和深入探索。本文的具體工作及主要貢獻如下:(1)系統(tǒng)闡述了液壓四足機器人機械結構、液壓系統(tǒng)和傳感控制系統(tǒng)的結構特性、組成方案和工作機理。闡明了機器人機械結構的仿生設計過程,給出了液壓系統(tǒng)的工作原理圖,并著重對集成油源的工作原理、參數(shù)要求進行了詳細說明。最后對機器人所使用的控制器和傳感器進行了敘述與討論,并對液壓四足機器人最終物理樣機進行了詳盡分析,為后續(xù)研究內容的展開做好了準備。(2)對四足機器人對角小跑步態(tài)的全向運動進行了研究。首先將全向運動看作是斜向運動和轉向運動的組合,并提出了基于運動參數(shù)矩陣法的對角小跑步態(tài)的斜向與轉向運動的規(guī)劃方法。受四足動物運動特性的啟發(fā),提出了質心偏移調整穩(wěn)定算法,將質心偏移的概念及其應對方法引入到機器人運動參數(shù)矩陣中以提高機器人在全向運動時的穩(wěn)定性。為了確定質心偏移距離,將其轉化成強化學習問題,通過符號微分策略梯度法(PGSD)對相關的最優(yōu)策略進行求解,并通過傅里葉級數(shù)擬合函數(shù)來擬合不同轉向角(斜向角)的質心偏移距離以減少學習過程的時長。同時還將質心偏移調整穩(wěn)定算法應用到了四足機器人在斜坡上運動,通過PGSD的在線學習優(yōu)化,實現(xiàn)了四足機器人在未知坡度斜坡上的斜向和轉向運動,最后通過仿真實驗驗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器人在不規(guī)則地形條件下運動的全向運動規(guī)劃方法。該規(guī)劃方法基于浮動機體運動學原理,可以根據(jù)運動過程中機器人足端著地點的位置自動規(guī)劃機體運動的位移和角度。這種規(guī)劃方法可以保證機器人在行走相中實現(xiàn)規(guī)劃的位移變化,在姿態(tài)調整相實現(xiàn)規(guī)劃的機體角度變化,從而使機器人能夠根據(jù)地形情況不斷地對自身狀態(tài)進行調整。最后通過四足機器人攀爬臺階的仿真驗證了本文所提算法的可行性與實用性。(4)對基于立體視覺的三維地形重建方法進行了研究,提出了一種基于移動選擇窗的缺失平面重建方法。該重建算法先將立體相機獲得的三維點云進行網格化處理,然后選定不同尺寸的數(shù)據(jù)選擇窗遍歷網格區(qū)域,并根據(jù)平面在立體相機中成像特點判斷選擇窗內的數(shù)據(jù)點是否處于同一平面上。如果在選擇窗內已有數(shù)據(jù)點近似處于同一平面上,則窗內無數(shù)據(jù)的網格點可以根據(jù)該平面方程進行補充重建,直到沒有新的重建點出現(xiàn)。其后通過臺階上表面的重建過程對所提算法的步驟進行了詳細的說明,證明了算法的規(guī)范性與有效性。(5)對四足機器人在關節(jié)鎖定故障情況下的容錯性步態(tài)進行了研究,通過浮動機體運動學在故障關節(jié)處建立關于機體虛擬自由度的冗余度方程。根據(jù)不規(guī)則地形下的機器人全向運動規(guī)劃方法確定冗余度方程中的已知量和未知量,并通過對未知量的調節(jié)來保證已知量運動規(guī)劃的實現(xiàn)。為了求解冗余度方程,將相應的優(yōu)化函數(shù)引入到了擴展雅可比矩陣中,實現(xiàn)容錯性步態(tài)的優(yōu)化控制,并通過仿真實驗對算法的有效性進行了驗證。最后,對液壓四足機器人物理樣機研制過程中所涉及的實驗進行了闡述與分析,主要包括機器人的雙腿運動實驗,蹲起實驗,懸空步態(tài)實驗,獨立行走實驗等,最后在物理樣機上對本文所提出的部分控制算法進行了實驗驗證。
【學位授予單位】：北京理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP242

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前8條

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