融合CPG与足端独立轨迹规划的四足机器人运动控制研究

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随着社会和科学的发展,随着多领域应用需求的多样化,机器人技术的研究日益成为社会关注的热点。在安防巡逻、物流分拣、物流配送、恶劣环境工作等场景,都有不同类型的机器人被研究和使用。四足机器人自身具备成本低、灵活性强、可代替人力成本的优点。本课题面向物流产业的“最后一公里”应用需求,为降低物流配送最后一公里的运营成本研制了四足机器人样机,对机器人进行运动控制并基于传统的控制方法提出了创新,进行了仿真和实验验证。课题参考了足式动物行进时的运动特征,从节律运动中总结关节协调控制规律,建立了Hopf非线性振荡器,根据不同的运动步态特征调节振荡器耦合网络,研究了振荡器不同的参数与振荡器状态输出之间的关系。从振荡器中选择可用的状态信息用于机器人腿部关节的控制。本文对传统的CPG(中枢模式发生器,CPG)控制方法存在的缺陷如轨迹特征无法更改、轨迹参数耦合度高、无法完成跨足跨相规划等缺陷进行了分析总结,并参考存在的缺陷创新性地提出了独立足端轨迹规划控制方法,在任务空间独立设计规划足端轨迹,可以解耦设计足端轨迹的摆动相足端高度、期望速度、形状类型、轨迹中心位置、步态频率、机器人前进方向等参数,仿生度更高,能够满足更多定制化要求,机器人的参数调整更加灵活。本文在Coppeliasim中对机器人进行了仿真试验,搭建了物理参数与实际样机吻合的虚拟仿真模型,分别用传统CPG和融合CPG与独立足端轨迹规划的控制方法对机器人进行运动控制,论证了创新点中参数的高解耦度、可独立规划、可对机器人进行更复杂的控制的特性。为验证控制方法,课题搭建了四足机器人试验样机。样机创新性的采用了磁流变液离合器作为机器人关节的一部分,磁流变液离合器具有柔顺度高、开环力矩精度高、相比其他变刚度关节力矩更大的特点。机器人采用了并联五杆机构作为腿部机构设计,将腿部负载均衡到并联的自由度上,本文对其正运动学、逆运动学进行分析。在此基础上,根据应用需求对机器人机械和电气硬件进行设计和选型,设计整机控制框架和核心算法框架。本文结合仿真实验和样机试验对融合CPG与独立足端轨迹规划控制方法和重载能力进行了实验验证和分析。
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