起重机六足爬壁机器人的步态规划与控制研究

作     者：张瑞东 

作者单位：武汉理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵章焰

授予年度：2021年

学科分类：081505[工学-港口、海岸及近海工程] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0815[工学-水利工程] 0835[工学-软件工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 0802[工学-机械工程] 0814[工学-土木工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：港口起重机 六足爬壁机器人 步态规划 动力学分析 CPG模型 

摘      要：爬壁机器人作为港口起重机检测与清洁作业的载体,代替人工进行检测与清洁,将极大地提高工作效率,保障人员的安全。足式爬壁机器人相较于轮式和履带式爬壁机器人,具备较好的运动灵活性和环境适应性,其中,六足比两足和四足机器人的稳定性好,比更多足的机器人控制简单,因此六足爬壁机器人具有广阔的应用前景和研究价值。然而,六足爬壁机器人的关节数目较多,实现其在起重机表面进行稳定攀爬运动的难度大。针对此问题,本文以磁吸附式六足爬壁机器人为研究对象,以实现六足爬壁机器人的步态规划和步态控制为研究目标,主要研究内容如下:首先,通过对起重机六足爬壁机器人攀爬环境的分析,设计其机械结构和吸附方案。基于设计的结构方案完成单腿正逆运动学和微分运动学求解,并修正了因引入足端球轴承所带来的运动学偏差,通过单腿运动学正解求得机器人相邻腿的足端工作空间。其次,完成六足爬壁机器人典型步态的规划,并采用静态稳定裕度法对规划的步态进行稳定性分析。依据拉格朗日动力学分析法建立六足爬壁机器人在攀爬过程中的动力学模型,并提出关节运动能量模型。结合多项式方程规划足端运动轨迹,基于粒子群优化算法,以能耗最优为优化目标,优化足端轨迹方程参数。再次,验证了中枢模式发生器(CPG)控制方法适用于六足爬壁机器人的步态控制。对比不同振荡器模型,提出结合占空比和关节转速的改进Hopf振荡器并建立CPG单元模型,采用单参数法确定适合步态控制的振荡器参数值。构建机器人CPG控制网络结构,其中腿间耦合采用全对称式结构实现稳定的相位差运动,腿内耦合采用映射函数生成关节控制信号。最后,结合步态控制方法对机器人进行联合仿真实验,验证步态规划和控制方法的可行性。搭建六足爬壁机器人样机实验平台,对电磁铁与步态的配合关系进行实验,确保两者的协同控制。在此基础上对机器人进行攀爬实验,对比仿真结果和样机实验结果,证明了本文行走步态和控制方法的有效性和合理性。