【摘 要】
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相对于轮式机器人,双足机器人最大的优势是能够在离散的地形中进行移动,从而在人类活动的环境中执行任务。机器人如果要辅助人类工作,一些基础的能力是必不可少的,其中之一便是在人类活动环境中进行转向的能力,例如在上楼梯时的拐角,带有转角的通道等场景中,都需要双足机器人具有灵活的转向能力。传统的转向实现方法主要分为多步的小角度转向和双脚接触地面滑动转向两种,其中双脚接触地面滑动转向方法实现的转向角度范围较小
【基金项目】
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广东省基础与应用基础研究基金项目“面向复杂地形的足式移动机器人全身平衡控制”（广东省基础与应用基础研究基金项目,项目批准号:2021A1515011829）
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相对于轮式机器人,双足机器人最大的优势是能够在离散的地形中进行移动,从而在人类活动的环境中执行任务。机器人如果要辅助人类工作,一些基础的能力是必不可少的,其中之一便是在人类活动环境中进行转向的能力,例如在上楼梯时的拐角,带有转角的通道等场景中,都需要双足机器人具有灵活的转向能力。传统的转向实现方法主要分为多步的小角度转向和双脚接触地面滑动转向两种,其中双脚接触地面滑动转向方法实现的转向角度范围较小,多步的小角度转向方法对于机器人立足点地形的面积大小有一定要求,只能实现机器人在部分场景下的转向。针对传统方法的局限性,本文提出了一种基于涵道风机的双足机器人旋转步态的规划方法及全身平衡控制的方法。我们在传统构型机器人上装配涵道风机用于改进机器人的转向能力,风机旋转产生的推力可以为机器人的转向提供额外的转矩,同时额外的推力可以抵抗转向过程外部的扰动。本文首先分析机器人平的运动学模型的特点,然后通过非线性规划的方法优化机器人的姿态和游足轨迹,提出对应的控制器使得机器人能够稳定完成大幅度转向,并降低转向过程的能耗。本文具体的研究内容如下:（1）动力学模型分析。首先建立运动学坐标系,给出描述机器人状态的各个变量定义,然后基于涵道风机对机器人转向过程作用的特点,分析双足机器人旋转步态执行过程的动力学模型,作为步态规划方法和控制器设计的依据。（2）基于运动学模型的特点,设计双足机器人的步态规划方法。首先分析基于涵道风机的双足机器人的运动学模型,根据旋转步态的特点和机器人的平衡条件设计关节角度范围和关节扭矩大小等约束,以能耗为指标,通过SQP等非线性规划方法优化机器人的姿态;然后得出以游足的伸展距离和高度为变量的最优推力参考平面,采用直接配点法在冠状面上对游足轨迹进行优化,同样的,这部分规划以减少旋转步态的能耗为指标。（3）基于动力学模型中的不稳定性因素设计控制器。首先分析旋转步态执行过程的机器人平衡模型中存在的不确定性因素,阐述控制器存在的合理性和必要性,然后在论文中提出竖直推力控制器,水平推力控制器,躯干控制器等三个控制器,分别用于对机器人的转向过程进行跟踪和稳定转向过程机器人的姿态,并给出各个控制器的控制表达式,最后给出整体控制器的框图。（4）设计实验验证规划方法和控制器的控制效果。首先设计270°的滑动转向实验,分别在仿真和实机上完成了实验,然后基于采集的一部分数据,验证步态规划方法对于能耗优化效果。与设计的对比实验相比,提出方法规划的轨迹能够将实际机器人转向动作的整体能耗降低约20%,另一部分实验过程采集的机器人姿态数据用于验证控制器对规划轨迹的跟踪效果以及机器人姿态稳定控制的效果,实机的实验数据表明控制器能够维持机器人转向过程的姿态误差约±5°。
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