四足机器人环境适应行走的控制策略研究

CORC > 自动化研究所 > 中国科学院自动化研究所 > 毕业生 > 博士学位论文

题名	四足机器人环境适应行走的控制策略研究
作者	李晓琪
答辩日期	2017-05-27
授予单位	中国科学院研究生院
授予地点	北京
导师	易建强 ; 王伟
关键词	四足机器人中枢模式发生器重心高度调节地面基质分类环境适应行走
英文摘要	四足机器人机动性高、环境适应性强，在灾难救援及特种作战等领域具有重要应用价值。其数学模型具有非线性强耦合的特点，建模及控制难度大，特别是在未知不确定环境中运动时，四足机器人的控制尤为复杂。本文针对高度受限环境及地面基质变化环境中四足机器人运动的控制策略展开研究，包括四足机器人快速步态变换控制、行走过程中的重心高度控制、地面基质分类方法与适应行走策略等，旨在提高四足机器人在复杂环境中的运动适应性及机动性。论文核心内容概要如下：（1）提出了一种四足机器人快速步态变换策略，实现了四足机器人在一个步态周期内快速平滑的步态变换，以适应地形或地质环境因素变化。该策略利用基于Hopf振荡器的中枢模式发生器（Central Pattern Generator, CPG），实现四足机器人基本运动步态；设计相位调节模块，改变节律信号相位；协调节律信号相位关系，实现四足机器人快速步态变换。该策略可使足端-地面作用力保持在一定范围内，并使机器人本体俯仰角及横滚角平滑柔顺。快速步态变换策略的实现为四足机器人复杂环境适应行走奠定了理论基础。（2）针对约束环境下的有效四足行走，提出了一种基于离散跟踪微分器（Tracking Differentiator, TD）的四足机器人重心高度控制方法，通过节律信号振荡中值的平滑过渡，实现机器人行走过程中的重心高度调节。该方法利用Hopf振荡器构成中枢模式发生器，以生成四足机器人节律运动控制信号；利用改进的离散跟踪微分器实现四足节律信号振荡中值的平滑过渡，且过渡时间可控。同时，分析了四足机器人重心高度调节过程中导致偏离行走方向的因素，设计了基于位置和姿态的侧向偏移控制策略，调节控制信号幅值，有效减小了行走方向的侧向偏移；分析了四足机器人重心高度与足端-地面作用力及各关节驱动力矩的内在关系，验证了四足机器人重心高度控制方法的有效性和可行性。（3）分析了四足机器人CPG变参数行走时足地接触力的动态特性，探索了不同地面基质情况下四足机器人足地接触力的变化。在四足机器人平台上实现了Walk及Trot节律运动控制实验，分析了CPG控制下Trot步态不同步长和步频行走时足地接触力的动态特性，为提高四足机器人动态性能奠定了基础。Walk步态行走实验探索了不同地面基质情况下四足机器人足地接触力的变化，分析了利用足地接触力进行地面基质识别和分类的有效性，为地面基质分类及适应行走的研究提供了理论依据。为进行实验研究，设计了基于ARM+DSP架构的电控系统，ARM控制器实现机器人运动规划及传感器信息处理，DSP控制器实现多关节驱动控制，该电控系统可使四足机器人实现自包含。（4）针对四足机器人在诸如摩擦系数、弹性模量等物理属性不同地面基质环境中的稳定行走问题，提出了基于支持向量机（Support Vector Machine, SVM）算法的地面基质分类方法。利用四足机器人在不同地面基质行走过程中的足地接触力及机器人本体PITCH-ROLL信息，提取特征向量，采用SVM算法进行地面基质分类。利用四足机器人Biodog在摩擦系数和弹性模量不同的五种地面基质上进行了实验研究，所提出的地面基质分类方法分类正确率为99.33%。（5）为了改善基于Hopf振荡器的四足机器人Walk步态在不同地面基质环境的行走性能，增强四足机器人在不同地面基质环境中的适应性，提出了四足机器人地面基质适应行走策略。利用重心位置调节方法，消除CPG输出节律信号相位与机器人腿足实际相位的偏差；利用CPG和足端轨迹规划结合的方法，实现对四足机器人腿足最大抬起高度的直接控制。地面基质适应行走策略有效改善了四足机器人Walk步态行走过程中的摆动腿足拖地现象，增强了四足机器人在不同地面基质行走的稳定性和适应性。
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.ia.ac.cn/handle/173211/14709]
专题	毕业生_博士学位论文
推荐引用方式 GB/T 7714	李晓琪. 四足机器人环境适应行走的控制策略研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2017.