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工程科学与技术 2024年第5期56卷 156-167页

作者：余坼操马心知朱学军杨旭东赖惠鸽杨爱迪宁夏大学机械工程学院宁夏银川750021 安徽飞迪航空科技有限公司安徽合肥230026

双腿轮式机器人融合了足式与轮式机器人的优势,展现出灵活性和高速高效特性。然而,精确控制这类机器人需要对运动学和动力学模型进行深入研究。此外,欠驱动、强耦合和非线性等控制难点也进一步加剧了机器人运动与自平衡控制的挑战。为... 详细信息

双腿轮式机器人融合了足式与轮式机器人的优势,展现出灵活性和高速高效特性。然而,精确控制这类机器人需要对运动学和动力学模型进行深入研究。此外,欠驱动、强耦合和非线性等控制难点也进一步加剧了机器人运动与自平衡控制的挑战。为应对这一挑战,本文提出一种分布式动力学建模策略,分别对机器人的躯干及腿轮子系统进行了精确建模,保留了机器人的所有动力学特性,并据此设计出以腿轮末端输出力矩为控制目标的力矩解算器。随后,基于该模型创新性地提出一种全身力矩控制框架,旨在实现双腿轮式机器人的运动控制和动态平衡。为进一步提升其运动性能,还规划了多运动模式,并成功地集成到全身力矩控制系统中。在MATLAB环境下搭建了双腿轮式机器人仿真实验平台,设计了两种行走实验方案和3种不同跳跃高度的仿真实验。实验结果表明,行走速度误差小于0.09 m/s,跳跃高度误差控制在0.02 m以内,验证了控制策略的可行性。最后,搭建了腿轮融接型复合结构的双腿轮式机器人,成功开展了机器人多运动模式实验,进一步证实了机器人在运动控制作业中的高精度表现,其躯干高度误差在3.38 mm以内,俯仰角误差不超过0.04 rad。研究结果充分验证了分布式全身动力学建模的精确性以及全身力矩控制系统的有效性,为双腿轮式机器人的运动控制研究提供了新的理论框架和实践指导。

关键词：双腿轮式机器人分布式模型力矩控制运动控制

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双腿轮式机器人复杂运动控制算法设计

双腿轮式机器人复杂运动控制算法设计

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作者：黄辉南昌大学

学位级别：硕士

腿轮式机器人是移动机器人的重要分支之一,研究强耦合机体的平衡控制算法,特别是复杂地形的适应性和通过性控制算法,具有良好理论价值和应用价值。本文以Robo Master机甲大师对抗赛复杂场地为背景,设计一种紧凑型双腿轮式机器人,在台阶... 详细信息

腿轮式机器人是移动机器人的重要分支之一,研究强耦合机体的平衡控制算法,特别是复杂地形的适应性和通过性控制算法,具有良好理论价值和应用价值。本文以Robo Master机甲大师对抗赛复杂场地为背景,设计一种紧凑型双腿轮式机器人,在台阶、斜坡、起伏路面和打滑路面等环境中,开展实现直立平衡前提下,完成行走、转向、跳跃和防滑等复杂运动的算法研究和设计。根据Robo Master比赛规则的要求,完整地设计了一种双腿轮式机器人机械系统和控制系统,建立机器人的运动学和动力学数学模型。文中提出了一种可变悬挂行程并联五杆腿部机构以及腿轮相互独立机构,可有效地满足比赛中跳跃上下台阶、单轮或双轮通过斜坡、穿越起伏路面和平稳在散落弹丸地面行走等功能要求。文中有效地推导了机器人整体等效模型和关节腿部模型,为后续机器人运动控制提供了运动学和动力学数学模型。为了实现机器人的行走、转向、跳跃以及防滑等运动控制,分别设计了机器人的腿部控制与整体平衡控制算法。机器人腿部控制采用VMC算法、整体平衡控制采用LQR与PID的混合控制算法、而水平和转向运动则采用PID控制算法。基于DM-SLIP简化模型设计规划各运动阶段腿长轨迹的基础上,设计了机器人的跳跃运动控制算法;采用新息自适应卡尔曼滤波算法观测得到机器人相对地面坐标系的实际速度的方法,设计了机器人抑制打滑的控制算法。通过实物的充分实验,验证了双腿轮式机器人能够稳准快地完成上述各种复杂运动。

关键词：双腿轮式机器人直立平衡复杂运动控制跳跃轨迹规划打滑抑制

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双腿轮式机器人自主避障控制系统设计

双腿轮式机器人自主避障控制系统设计

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作者：马心知宁夏大学

学位级别：硕士

现有机器人移动平台多为基于轮履或腿的移动结构,轮履机构可以在平整地面高速移动,腿机构可以适应非结构地面,双腿轮式机器人则融合了轮履和腿移动机构的优点,成为自主移动机器人领域的研究热点,解决自主避障问题成为研究和应用的关键... 详细信息

现有机器人移动平台多为基于轮履或腿的移动结构,轮履机构可以在平整地面高速移动,腿机构可以适应非结构地面,双腿轮式机器人则融合了轮履和腿移动机构的优点,成为自主移动机器人领域的研究热点,解决自主避障问题成为研究和应用的关键。双腿轮式机器人可以依靠腿部悬挂在非结构化地面进行移动和跳跃等复杂运动,机器人系统结合了多关节强耦合和多运动模式控制等难点。因此对于如何充分发挥轮履机构运动能力、腿部机构的地形适应能力和上层自主避障系统导航能力,是双腿轮式机器人智能控制需要解决的问题。本文综合分析当前国内外双腿轮式机器人研究现状,主要研究了该类型机器人的机械设计、多运动模式稳定切换控制、视觉SLAM三维环境感知系统、室内动态环境路径规划与自主避障。通过分析国内外现有双腿轮式机器人腿部和机身构型,完成机器人的本体结构设计,基于机械实物平台的物理参数建立分布式框架下的的全身运动学模型,建立以腿轮-机身交互力为末端输出力的全身力矩控制动力学模型;提出以轮腿子系统和机身构成的分布式控制框架,分系统计算虚拟广义力与各关节力矩。最后,设计了融合轮式移动和跳跃规划的多模式运动框架的状态机,成功实现了复杂非结构环境下的轮式移动和跳跃模式的平稳切换。在完成移动平台运动控制算法的基础上,采用基于STM32H7芯片的FreeRTOS实时操作系统,通过串口采集IMU数据并接收树莓派发布的速度、高度和俯仰角命令,同时更新6个关节电机和IMU数据,用参考值和传感器数据运行控制算法计算出6个关节电机力矩,通过CAN通信控制6个关节电机实现平衡运动,本机在FreeRTOS操作系统中给不同任务分配优先级,实现多任务的高效运行。完成双腿轮式机器人机械设计、运动控制、硬件设计和实时操作系统设计的基础上,采用基于ROS软件框架的RGB-D视觉SLAM室内三维环境感知系统,将环境点云地图转换为OctoMap,再通过斜投影原理转换为二维栅格地图,采用成熟的单源最短路径Dijkstra算法进行全局路径规划,采用多目标优化的TEB算法进行局部动态路径规划,成功让双腿轮式机器人拥有了室内动态环境的自主避障能力。本文提出一种双腿轮式机器人全身力矩平衡控制方法,依据分布式控制系统框架搭建了多模式运动控制系统,基于双腿轮式机器人实物平台,进行ROS软件框架下的自主避障控制方法研究,对双腿轮式机器人智能控制技术的发展及应用具有积极推动意义。

关键词：双腿轮式机器人分布式模型 SLAM 路径规划自主避障

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复杂地形环境双腿轮式机器人运动控制方法研究

复杂地形环境双腿轮式机器人运动控制方法研究

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作者：吴可山东大学

学位级别：硕士

现代社会,人们对于移动机器人的性能的诉求越来越倾向于高机动,高效率和高适应性。移动机器人常用的移动方式有轮式、履带式和腿足式。轮式移动机器人移动速度快、能量利用效率高,但地形适应能力差,只能在相对平坦的地面环境工作。履带... 详细信息

现代社会,人们对于移动机器人的性能的诉求越来越倾向于高机动,高效率和高适应性。移动机器人常用的移动方式有轮式、履带式和腿足式。轮式移动机器人移动速度快、能量利用效率高,但地形适应能力差,只能在相对平坦的地面环境工作。履带式移动机器人因与地面接触面积大,对地形适应能力有所提高,但能量利用效率和机动性显著降低。近十几年来快速发展的腿足式机器人在地形的适应性上有着卓越的表现,但移动速度慢和运动能效低一直是难以突破的技术难题。在这种背景下,兼顾轮式和腿足式机器人优点的腿轮式移动机器人开始被越来越多的人关注。采用双轮的形式可以最大限度的提高能量利用效率和机动性,并且由于拥有了腿部结构,使得机器人在适应复杂地形能力上有了质的提升。本文通过对双腿轮式机器人期望运动性能的分析,在建立运动学、动力学模型的基础上提出了一系列运动控制算法,并在Webots环境中通过虚拟样机仿真进行了验证,主要研究内容如下:1、将双腿轮机器人等效为质心高度可变双轮倒立摆系统,质心高度的变化通过腿部运动实现;分别建立了双轮倒立摆系统和腿部系统的运动学和动力学模型,计算了各构件的质心分布,推导了腿部机构的雅可比矩阵,分析了驱动轮中心相对躯干的运动空间,为机器人的运动规划与控制奠定了良好基础。2、双腿轮机器人的运动可解耦为矢状平面内的运动和转向运动,矢状平面内的运动控制又分解为平衡控制和速度控制;分别设计了基于T-S模糊模型的平衡控制器、基于Mamdni模糊模型的速度控制器和基于分段PD算法的转向控制器;在Webots环境中构建了双腿轮机器人虚拟样机仿真模型,并进行了抗平衡干扰、抗前向冲击、前进速度跟随和转向跟随仿真实验,仿真结果验证了所设计控制算法的有效性。3、针对双腿轮式机器人通过变质心高度进行跨行过障和限高过障,设计了基于足端轨迹规划的位置控制算法;针对地面障碍的跳跃越障,设计了基于足端轨迹的阻抗控制以及基于虚拟模型的主动柔顺控制算法,进行了机器人下蹲、起跳、下落三阶段的运动规划;在Webots环境中通过仿真验证了双腿轮机器人的越障能力和所设计控制算法的收敛性和鲁棒性。4、双腿轮式机器人是一种欠驱动、不稳定的机器人,很容易产生倾倒。根据倾倒的方向以及机器人的物理结构,可以分为前向倾倒、后向倾倒和侧向倾倒。而由于缺少横滚关节。本文的双腿轮式机器人只拥有克服前两种倾倒的跌倒恢复能力。跌倒恢复控制算法对于轮和腿的控制也是解耦的,分别采用了基于足端轨迹规划的位置控制算法和平面运动控制算法,并通过实现验证了算法的可行性。最后,总结了本文所做取得的研究成果与不足之处,并展望了下一步工作。

关键词：双腿轮式机器人模糊控制 PD控制虚拟模型控制跌倒恢复

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