轮足混合式四足机器人运动规划与跟踪控制的研究

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近年来,灾难时常发生,人们所面对的被灾难破坏的环境复杂危险。为完成搜救任务,同时保证搜救人员的安全,我们希望机器人能够代替人到最危险的环境中完成救援任务。本课题就是围绕“搜索救援”这一主题,以轮-足混合式移动机器人为载体,研究机器人在复杂路况中的运动情况。本文首先在Pro/E中构建机器人的三维模型,然后将此三维模型导入到ADAMS中产生虚拟样机模型,这个虚拟样机模型是本文研究的对象。随后,我们分析了机器人的运动学,研究了机器人腿的结构图。在不同路况下,机器人的躯干与地面平行或者有夹角,根据这种差别我们分别推导出hip关节处的坐标以及腿末端点坐标与腿的三个关节的转动数据的关系。根据这种关系,规划出机器人在平面运动的两种步态:COG后退步态、S形步态,并将这两种步态应用到上下楼梯中。COG后退步态要求机器人在一个步态周期内进行多次躯干的调整,这个调整使机器人的COG向后移动,因此机器人在该步态下,速度会出现有正有负的情况,不过正是由于机器人的COG向后运动,为机器人提供了足够的稳定余量,使机器人在这种步态方法下拥有很大的跨越距离。S形步态相对于COG后退步态而言相对简单得多,S形步态在一个步态周期内调整的次数为2次,而且这两次调整是对称的,机器人运动时左边和右边的腿的运动也是对称的。不过S形步态最大的不足就是在该步态的一个步态周期内移动距离比较小,因而这种步态很适合小步快跑的机器人。对于混合式机器人在轮式运动方面,我们主要研究其对规划好的路径点的轨迹跟踪,设计了一个模糊控制器,该模糊控制器有两个输入两个输出,输入是目标点与参考点的距离和方向误差;输出是机器人移动的速度和机器人方向角的变化率。将这两个输出通过速度转换模块转换后,变为轮式小车左右轮的转动角速度,从而驱动小车运动。通过MATLAB和ADAMS的联合仿真,证实了该控制器的可行性。同时,我们还分析了机器人在光滑平面的运动情况,通过调节机器人关节的参数,机器人可以像人溜冰一样在光滑路面以不同的运动速度前进;此外,我们对机器人在光滑路面的转弯运动也进行了研究。
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