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六足机器人非结构化环境下的摆动腿运动规划与控制研究

作　者: 陈杰
导　师: 赵杰
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 六足机器人 落足点 地形评估 轨迹规划 运动控制
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


六足机器人结构的冗余性以及落足点的离散性使其具有更加卓越的应对非结构化环境的能力和潜质。腿部摆动作为六足机器人移动的重要环节，其合理性直接关系到机器人的整体运动性能。因此，开展腿部摆动策略的研究对于机器人的进一步应用有着十分重要的理论和现实意义。本课题的目的是，针对已经完成的六足机器人本体HITCR-II，基于非结构化环境的栅格模型，分析和研究其腿部在崎岖地面上的摆动时的运动规划与控制方法，并完成仿真验证。首先在对六足机器人本体结构进行概述的基础上，应用机器人学理论对机器人摆动腿进行了运动学建模和分析，推导了足端运动与各关节运动之间的数学关联，分析了足端工作空间，为后续的运动规划和控制奠定了基础。通过仿真验证了运动学模型的正确性。在对六足机器人移动过程及落足原理进行分析的基础上，结合机器人足端形状提出了一种地形特征提取方法，更加准确的描述了地形的局部特征。设计了能够直接对落足点进行定量评估的可落足性函数，可有效提高机器人的地形判断能力和运动实时性。通过仿真实验验证了该地形评估策略的有效性。在充分考虑地形约束的情况下，研究了六足机器人腿部在摆动过程中的轨迹规划和控制方法。基于最优控制理论建立了摆动腿轨迹规划模型，并且提出了一种基于最速下降法的数值解法。设计了腿部关节伺服控制器，利用李雅普诺夫直接法对控制器性能进行了分析，从理论上证明了控制器的稳定性和可行性。最后，建立了基于ADAMS和MATLAB的摆动腿仿真平台，进行了轨迹规划与控制方法仿真实验研究，并对仿真结果进行了分析，验证了所提算法的有效性。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-9
第1章 绪论  9-18
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  9-10
  1.2 仿生多足机器人研究现状  10-15
    1.2.1 仿生多足机器人国外研究现状  10-14
    1.2.2 仿生多足机器人国内研究现状  14-15
    1.2.3 仿生多足机器人研究现状总结  15
  1.3 六足机器人摆动腿运动规划研究综述  15-17
  1.4 本文的主要研究内容  17-18
第2章 六足机器人摆动腿运动学分析  18-27
  2.1 引言  18
  2.2 本体结构概述  18-19
  2.3 摆动腿运动学分析  19-26
    2.3.1 位置运动学  19-22
    2.3.2 微分运动学  22-23
    2.3.3 工作空间分析  23-24
    2.3.4 摆动腿运动学验证  24-26
  2.4 本章小结  26-27
第3章 六足机器人地形分析与理解策略研究  27-37
  3.1 引言  27
  3.2 六足机器人地面栅格模型的建立概述  27-28
    3.2.1 非结构化地形感知概述  27-28
    3.2.2 非结构化地形地图构建概述  28
  3.3 地形实时分析与理解策略  28-34
    3.3.1 地形特征提取  29-31
    3.3.2 地形实时可落足性评估  31-34
  3.4 仿真与结果分析  34-36
  3.5 本章小结  36-37
第4章 基于栅格模型的摆动腿轨迹规划与控制研究  37-47
  4.1 引言  37
  4.2 摆动腿非结构化环境下的轨迹规划  37-44
    4.2.1 非结构化环境下轨迹规划概述  37-38
    4.2.2 基于最优控制的摆动腿轨迹规划  38-44
  4.3 腿部关节伺服控制器设计  44-46
    4.3.1 控制律设计  44-45
    4.3.2 控制器稳定性分析  45-46
  4.4 本章小结  46-47
第5章 摆动腿轨迹规划与控制方法仿真研究  47-54
  5.1 引言  47
  5.2 摆动腿运动规划与控制仿真环境的建立  47-49
    5.2.1 摆动腿动力学模型的建立  47-48
    5.2.2 摆动腿运动规划与控制系统模型的建立  48-49
  5.3 摆动腿运动规划与控制方法仿真及结果分析  49-53
    5.3.1 仿真实验  49-51
    5.3.2 仿真结果及分析  51-53
  5.4 本章小结  53-54
结论  54-55
参考文献  55-59
攻读学位期间发表的学术论文  59-61
致谢  61

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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