论文部分内容阅读
近年来,多足步行机器人因其具有良好越障和避障的能力,以及在复杂地表上行走的较强的适应性,已经成为国内外研究的热点。理论上良好的环境适应性和运动灵活性使得多足步行机器人在未来必然有着广阔的应用前景。多足步行机器人灵活的运动能力来源于腿部大量的自由度,所以腿部柔顺控制是多足步行机器人能否顺利行走和执行任务的关键,同时也是步行机器人能否快速行走、小跑甚至奔跑的前提。但是,当前多足步行机器人只具有较差的脚力跟踪能力和腿部柔顺控制能力,很难实现在未知环境中的复杂任务,因而大大影响了其推广和实用化进程。针对这一问题,本文以多足步行机器人满足灵活运动和降低能耗为目标,提出了基于能耗和目标工作空间腿部优化设计方法。并以此为基础,提出了基于自适应-模糊控制的柔顺控制策略,在多足步行机器人腿部柔顺控制平台上进行了相关实验及分析。第1章介绍了多足步行机器入主要应用场合和应用前景,提出了本课题的研究意义。在此基础上,详细描述了国内外多足步行机器人发展历程和进展。并且对当前国内外机器人柔顺控制技术研究现状进行了详细的描述。此外,还重点介绍了国内外多足步行机器人领域中柔顺控制的研究现状,分析了这一领域目前主要的研究方向和研究热点,最后,提出了本课题的主要研究内容。第2章首先介绍了步行机器人腿部柔顺控制实验平台,并对机器人平台硬件配置和软件架构进行了详细的描述。然后并建立了腿部模型和机器人足端与环境的等效模型,通过进行D-H建模和运动学分析,对关节空间下机器人足端正／逆运动学进行了求解。在此基础上,给出了半球形足端正／逆运动学分析的修正算法。针对现有半球形足端轨迹修正算法的缺点,提出了基于最小二乘支持向量机(LS-SVM)的半球形足端轨迹修正算法。第3章根据多足机器人实际运动空间的冗余性对机器人腿部结构造成多余尺寸和能耗的问题,提出了基于能耗和工作空间的三关节腿部结构通用优化设计方法。通过对多足机器人腿部系统能耗分析和机器人足端空间运动学分析,建立了不等式约束下的非线性规划数学模型,并应用增广拉格朗日遗传算法来寻找全局优化解。通过与优化前的腿部结构进行对比,优化后的结构尺寸和关节转动范围明显减小,运动空间的冗余性得到改善。通过该方法得到的结果能满足实际工作的要求、具有较好的可操作性,并且在满足转向和越障要求的前提下能够达到减小系统能耗的目的。第4章针对多足步行机器人腿部柔顺控制的问题,提出了一种基于自适应阻抗控制算法的腿部柔顺控制策略。在建立多足机器人单腿位置控制模型和阻抗控制模型的基础上,分析了阻抗控制的稳态误差,推导了间接自适应控制算法。该算法通过李雅普诺夫渐进稳定定理实现对环境参数的估计,达到对期望脚力的跟随。通过仿真与实验分析,该算法能够在实际应用中快速的估算期望脚力,实现已知环境中足端脚力的闭环控制,并能有效的减小足端与地面的接触冲击。第5章针对在未知环境下进行柔顺控制的问题,提出了一种基于自适应-模糊控制算法的腿部柔顺控制策略。通过对自适应控制参数进行分析,运用模糊控制算法对其参数进行在线修正,根据输入与输出的差异关系实时调整参数以得到满意的系统响应。本章还对阻抗控制的稳定性和自适应控制算法鲁棒性进行了分析,并给出了保持系统稳定时环境位置偏差的上下界。通过比较分析,证明了自适应-模糊算法不仅在环境参数发生变化时能够很好跟随期望接触力,而且在躯体高度波动的情况下依然能够保证较小的接触冲击力和较高的稳态精度。在此基础上还进行了自适应-模糊算法下的静态、动态脚力控制实验以及不同控制算法、不同环境下的脚力控制的比较实验,并对存在干扰情况下的脚力控制以及脚力控制对于躯体高度和系统能耗的影响等一系列实验进行了分析,以论证前述的理论和仿真结果。