电驱动仿生四足机器人的运动稳定控制方法研究

作     者：范德阳 

作者单位：厦门大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张霄力

授予年度：2022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] 0835[工学-软件工程] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：仿生四足机器人 虚拟模型控制 贝塞尔曲线 运动控制 单刚体模型 

摘      要：四足机器人是按照仿生学原理,通过模仿大自然中四足动物而设计出来的,因此,在复杂、多变的非结构地形环境中具有很强的适应能力,能够灵活完成许多轮式和履带式机器人所无法完成的作业任务。在地震灾后搜救、核电厂核辐射检测、军事侦察等高危复杂场景有着广阔的应用空间。然而,四足机器人是一个非线性、强耦合的运动系统,要想实现较好的多地形场景适应能力,简单高效的运动稳定控制技术是关键,也是目前国内四足机器人研究人员面临的一大难点。本文基于实验室自主研制的电驱动仿生四足机器人“ZeroGo2.0样机平台,以无视觉条件下面向多场景地形的运动稳定控制为研究目标,主要围绕仿生四足机器人的机械结构设计、控制系统硬件设计、运动稳定控制软件算法、算法的仿真验证及物理样机的测试等内容开展研究。主要工作内容和成果包含以下几部分:(1)设计了电驱动仿生四足机器人平台,并对其进行理论建模分析,求解了三维空间下仿生四足机器人单腿的正逆运动学方程,通过解算单腿雅可比矩阵将四足机器人足端笛卡尔空间和关节空间进行了关联映射。(2)基于单刚体简化模型的虚拟模型控制。在第一部分理论建模基础上,进一步地考虑机器人运动的柔顺性、鲁棒性及抗扰性。假设机器人质心位于几何中心,且四条腿的质量相对于机身质量可忽略,将运动中的四足机器人简化成单刚体模型,从静力学和动力学层面对其进行分析,建立了支撑腿的PD力控制器,并针对状态矩阵无法求逆的问题进行改进,实现了在支撑腿阶段机身全方向均可控。(3)基于虚拟弹簧阻尼的摆动腿力控制。采用Raibert基于速度规划的方法计算足端落足点位置;为减小足端触地冲击力带给机身不稳定的影响,提出一种基于五阶贝塞尔曲线的改进足端轨迹设计方法;最后通过在摆动腿足末端施加等效的虚拟弹簧阻尼器件,建立了摆动腿的力控制器,实现摆动腿的跟踪控制。(4)通过SolidWorks软件建立物理样机的3D模型,并在Simscape Multibody仿真平台下搭建物理样机的可视化模型及运动控制系统,初步验证仿生四足机器人的运动控制算法的有效性。(5)从物理样机的机械结构、动力与通信系统硬件、软件算法设计等方面自主研制出真实的物理样机平台,对其进行组装调试,并对其进行行走测试,验证机器人的稳定性和适应性。