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六足仿生机器人的研制及其运动规划研究__博士学位论文

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1、工学博士学位论文六足仿生机器人的研制及其运动规划研究 F N 陈甫 2009 年 10 月国内图书分类号：学校代码： 10213 国际图书分类号：密级：公开工学博士学位论文六足仿生机器人的研制及其运动规划研究博士研究生：陈甫导师：赵杰教授申请学位：工学博士学科：机械电子工程所在单位：机电工程学院答辩日期： 2009 年 10 月授予学位单位：哈尔滨工业大学 F A N u 2009 摘要 - I - 摘要随着人类探索自然界步伐的不断加速，各应用领域对具有复杂环境自主移动能力机器人的需求，日趋广泛而深入。理论上，足式机器人具有比轮式机器人更加卓越的应对复杂地形的能力，因而被给予了巨大的关注，但到目前为止，由于自适应步行控制算法匮乏等原因，足式移动方式在许多实际应用中还无法付诸实践。另一方面，作为地球上最成功的运动生物，多足昆虫则以其复杂精妙的肢体结构和简易灵巧的运动控制策略，轻易地穿越了各种复杂的自然地形，甚至能在光滑的表面上倒立行走。因此，将多足昆虫的行为学研究成果，融入到步行机器人的设计与控制中，开

2、发具有卓越移动能力的六足仿生机器人，对于足式移动机器人技术的研究与应用具有重要的理论和现实意义。本文从仿生的角度出发，对六足步行机器人的构形设计、理论建模、运动规划、控制系统设计等方面进行了深入探讨，并通过实验对其在复杂环境中的应用进行了研究。系统设计方面，将多足昆虫的步行结构建模为具有三自由度腿及椭圆状肢体分布的构形；设计了舵机驱动、平行四连杆传动的具有全方位移动能力的本体结构；以腿部肢节比例、基节轴线方向为自变量，参考位姿下机器人躯干的六维运动尺度为因变量，构造灵活度目标函数对结构参数进行了优化。设计了由上位机入式主控制器、信号采集与驱动控制器组成的层次化控制系统硬件结构，实现了由步态控制、肢体控制、关节电机、传感感知、通信模块组成的模块化控制系统软件架构。对步行控制任务进行功能和行为组合分解，提出了基于功能行为集成的分布式步态控制结构和自由步态步行控制模式与腿部反射控制模式相结合的复杂地形步行总体控制模式。运动学与动力学分析方面，在多足昆虫结构建模基础上，建立了六足仿生机器人的运动学模型，综合运用串、并联机构学理论，分别推导了单足摆动腿和多足支撑腿的位置、速度

3、、加速度运动学方程。基于达朗伯原理建立六足机器人的拉格朗日动力学模型，运用运动影响系数机构学理论将系统受到的所有力都折算到广义坐标上来建立力平衡方程进行动力学求解，推导出拉格朗日动力学方程；探讨了驱动力矩超确定输入问题，依据能量守恒原理和运动影响系数理论，推导了所有输入力矩的协调方程。通过仿真实验进行了运动学正确性验证及机器人动力学特性的仿真测试。腿部轨迹规划方面，分别针对地形平坦或轻度崎岖以及重度崎岖的情形，哈尔滨工业大学工学博士学位论文 - 提出了轻度崎岖地形轨迹规划策略和重度崎岖地形腿部反射轨迹规划策略。对于前者，构建了统一的摆动相和支撑相轨迹规划描述，提出了基于缓冲区的摆动相组合多项式曲线轨迹规划策略，并依据相对运动原理将支撑相规划的并联闭链问题转化为串联开链问题。对于后者，采用具有圆弧过渡的组合直线足端轨迹建立了抬腿和寻落反射机制的人工实现模型；并根据步行需要提出了单次反射、多次反射、复合反射的人工反射模式。步态规划方面，通过多足昆虫步态分析和抽象，推导出步行速度与步态模式间的数学关联，提出了多足步行的调速方法；提出了基于相位时钟的腿间相序描述方法和

4、基于腿间相序调整的自由步态形成原理。综合考虑加速度因素的影响，提出一种基于改进能量稳定裕度法的稳定性判定方法，推导了六足步行稳定裕度与步长及步行加速度的数学关联，并给出了维持静态稳定步行的步态参数域。依据自由步态形成原理，提出了腿间相序的调整策略和作用于相邻腿之间的局部规则，借助分布式局部规则网络，分别应用基于有限状态机的狭义步态控制算法与广义步态控制算法，实时地自适应调整错乱的腿间相序，生成了静态稳定的自由步态，通过仿真实验进行了验证。在设计搭建的六足仿生机器人步行实验平台上，分别实施了固化步态步行实验、腿部反射步行实验、自由步态步行实验，不仅验证了所提出的六足步行理论的正确性，同时也例证了机器人的复杂地形自适应稳定步行能力。关键词：六足机器人，崎岖地形步行，自由步态，局部规则，腿间相序 of of in of by up to of of be in on as on to to on by of it of to of of to In a of of in of an on in of of as a of a of by of as of in as an of of C, of of of

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