面向非平整地形柔顺运动的六足机器人自由步态规划研究

作     者：陈俊杰 

作者单位：河北工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李满宏

授予年度：2021年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：六足机器人 自由步态规划 局部地形感知 稳定性分析 

摘      要：六足机器人得益于足端与地形交替离散接触的独特驱动模式,可实现非平整地形上卓越的动态柔顺运动,在国民经济与国防建设关键领域不可替代作用日益突显。步态本质上为收敛于运动路径的一系列离散化落足点,作为六足机器人运动规划与多足协调控制的根本依据,直接影响着机器人整体运动性能。目前,国内外已在六足机器人步态规划研究方面取得重大进展,初步实现了机器人的稳定运动,但现有研究仍普遍存在局部地形感知精度不足、稳定性描述方法欠佳、步态规划柔顺性能亟待提升等突出问题,以致机器人运动性能与作业效能难以获得质的提升。为此,本文聚焦局部地形感知表征、动静态稳定性描述、自由步态规划方法,深入研究基于时变足端位置的局部地形精准量化表征方法,创新建立基于稳定裕量的动静态稳定性实时描述方法,重点探究基于足端位置时空变换的自由步态规划方法,旨在本质提升非平整地形上机器人动态柔顺运动性能,根源推动六足机器人发展应用。本文主要工作和取得的成果如下:1、深入研究时变机体坐标系下足端位置解算方法,基于无序足端位置序列的周期化处理与矢量化描述,探究局部地形特征点迭代筛选策略,充分利用足端与地形交替离散接触特性,建立基于时变足端位置的局部地形量化表征方法,解决局部地形精准感知表征难题。2、系统分析非平整地形上机器人动静态稳定性,基于地形特征平面空间变换与支撑足端运动时间裕度,分别提出机器人动静态稳定性判据及其量化评价方法,并建立基于稳定裕量的机器人动静态稳定性实时描述方法,解决非平整地形上机器人稳定性精准描述难题。3、重点研究基于特征平面切换的自由步态生成机理,通过探究基于动静态稳定裕量的足端位置时空变换机制,制定支撑足端抬起规则、摆动足端寻落规则、落足位置优选规则,提出基于摆动足端虚拟堆栈的自由步态规划方法,解决非平整地形上自由步态规划难题。4、搭建六足机器人实验平台,通过系统开展平整/非平整地形上机器人自由步态规划等相关实验,有效验证了局部地形量化表征、动静态稳定性描述、自由步态规划等理论方法的合理性与有效性。