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1、 - 硕士学位论文硕士学位论文 六足机器人非结构化地形下步态生成与腿 部控制研究 RESEARCH ON GAIT GENERATION AND LEG CONTROLLING OF A HEXAPOD ROBOT OVER UNSTRUCTURED TERRIANS 程爱祥程爱祥 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 2014 年年 7 月月 - 国内图书分类号：TP242.2 学校代码：10213 国际图书分类号：681.5 密级：公开 工学硕士学位论文工学硕士学位论文 六足机器人非结构化地形下步态生成与腿 部控制研究 硕 士 研 究 生 ： 程爱祥 导 师 ： 蔡鹤皋 教授 申请学位 ： 工学硕
2、士 学科 ： 机械电子工程 所 在 单 位 ： 机电工程学院 答 辩 日 期 ： 2014 年 7 月 授予学位单位 ： 哈尔滨工业大学 - Classified Index: TP242 U.D.C: 681.5 Dissertation for the Master Degree in Engineering RESEARCH ON GAIT GENERATION AND LEG CONTROLLING OF A HEXAPOD ROBOT OVER UNSTRUCTURED TERRAINS Candidate： Cheng Aixiang Supervisor： Prof. Cai H
3、egao Academic Degree Applied for： Master of Engineering Speciality： Mechatronics Engineering Affiliation： School of Mechatronics Engineering Date of Defence： July, 2014 Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 I 摘 要 六足机器人腿部结构的冗余、时变拓扑的特点以及落足点选择的离散性使 其具备较强的非结构化地形适应
4、能力。落足点选择作为六足机器人移动过程中 的重要环节，其合理性与六足机器人运动稳定性、移动速度、越障能力等息息 相关。因此，研究六足机器人非结构化地形下步态生成具有十分重要的理论意 义和实用价值。 本文首先介绍了六足机器人本体结构，并基于机器人学相关理论从机器人 串联角度分析了六足机器人摆动腿运动学和足端工作空间；从机器人并联角度 分析了六足机器人躯干运动学和躯干工作空间。将 ADAMS 仿真结果与 MATLAB 计算结果进行对比验证了串并联运动学分析的正确性。然后对六足 机器人初始状态进行优化以使其运动灵活度最大，提出用多目标粒子群算法对 该优化问题进行求解。 基于三足步态，结合已知地形信息
5、对六足机器人进行步迹点规划，即步态 生成。提出采用小范围快速规划策略进行落足点选取以满足快速性和有效性要 求；分析落足点选取所需考虑的地形约束、机器人自身运动约束和稳定性约束 并将其表达成一系列惩罚函数，综合考虑惩罚函数并用它来评价落足点的“好 坏”，这样本文的步迹点规划就转化成一个优化问题，提出采用蚁群算法对该 优化问题进行求解从而规划出机器人四步步行所需的落足点。最后通过 MATLAB 仿真计算验证了该步迹点规划的有效性。 充分考虑机器人运动能力和地形约束，对六足机器人全身运动进行规划。 为了满足六足机器人步行时的柔顺性要求，提出采用基于位置的阻抗控制策略 并分析了该控制策略的力位跟踪性能
6、从而提出更有效的自适应阻抗控制，最后 通过 MATLAB 和 ADAMS 的联合仿真验证了该控制策略的有效性。 最后，建立了基于 ADAMS 的动力学仿真平台，针对非结构化地形进行步 迹点规划和运动规划仿真实验验证。为了进一步验证上述规划，设计了实物实 验并对实验结果进行了分析。最后搭建六足机器人单腿实物平台验证自适应阻 抗控制的力位跟踪特性。 关键词关键词: 六足机器人；步迹点规划；运动规划；自适应阻抗控制 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 II Abstract Hexapod robot has a strong ability to adapt to unstructured terra
7、in due to the redundancy of its leg structure, characteristics of time-varying topology and discreteness of its footholds selection. Footholds selection, being an important part during of the movement of hexapod robot, its reasonability is closely related to the moving stability, motion speed, and o
8、verstepping ability of the robot. Therefore, studying the gait generation of hexapod robot in unstructured terrains has great important theoretical significance and practical value. In this paper, firstly the structure of the hexapod robot is described, and kinematics of swing leg and workspace of t
9、he foot-end are analyzed from the perspective of serial robot based on the theory of robotics, as well as the kinematics of torso and torso workspace from the view of the parallel robot. Afterwards, the simulation results of ADAMS and the computed results of MATLAB are compared to verify the analysi
10、s of kinematics of series-parallel structure. To have the maximum flexibility in movement, the initial state of the hexapod robot is optimized using Multi-Objective Partical Swarm Algorithm. Based on three-legged gait, the footstep of hexapod robot is planned combining with the known terrain informa
11、tion, i.e., gait generation. The small-scale fast planning strategies is proposed to select the drop-foot point for rapidity and effectiveness. A series of penalty functions can be generated by analyzing terrain constraints, motion constraints of robot and stability constraints needed to be consider
12、ed in the select of the drop-foot point. Comprehensively considering the penalty function and using them to evaluate the foot drop point, the footholds plan in this paper is transformed into an optimization problem which is solved by Ant Colony Algorithm. Finally, MATLAB simulation is carried out to
13、 verify the effectiveness of the footholds plan. After fully considering the ability of robot motion and terrain constraints, hexapod robot whole-body movement is planned. In order to meet the flexibility requirements of the walking six-legged robot, impedance control strategy based on location trac
14、king is adopted. Furthermore, the performance of the force tracking of it is also analyzed, putting forward a more effective direct adaptive impedance control. Finally, the co-simulation of MATLAB and ADAMS verifies the validity of the control strategy. A dynamic simulation platform based on ADAMS i
15、s established to confirm 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 III footstep plan and motion plan in unstructured terrain. To further verify the above plan, the physical experiment is designed and the experimental results are analyzed. Finally, a six-legged robot leg platform is built to verify the performance of force tr
16、acking of direct adaptive impedance control. Keywords: hexapod robot, footstep plan, motion plan, direct adaptive impedance control 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 IV 目 录 摘 要 I ABSTRACT . II 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题背景 1 1.2 多足机器人研究现状 . 2 1.2.1 国外多足机器人发展综述 . 2 1.2.2 国内多足机器人发展综述 . 8 1.3 本文主要研究内容 . 10 第 2 章 六足机器人运动学分析 11 2.1 引言 11 2.2 摆动腿运动学分析 . 11 2.2.1 摆动腿正运动学分析 11 2.2.2 摆动腿逆运动学分析 13 2.2.3 摆动腿足端工作空间分析 . 14 2.3 躯干运动学分析 . 14 2.3.1 躯干正运动学分析 15 2.3.2 躯干逆运动学分析 16 2.3.3 躯干工作空间分析
