【摘 要】
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崎岖的山丘或低洼沼泽占到了陆地表面半数以上的面积,并不适合轮式、履带式机器人在上面行驶,四足机器人因其结构特点在未知非结构地形上具有显著优势。对角步态为四足机器人研究中广泛采用的中速步态,由于采用该步态支撑区域仅为一条支撑线,因此实现四足机器人以对角步态在未知非结构地形上自适应稳定行走是四足机器人研究的难点,并且采用视觉传感器对地形进行感知和建模存在建模精度不足、对算力要求较高等问题。本课题为解决
【基金项目】
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深圳市基础研究学科布局项目（JCYJ20180508163015880）； 国家自然科学基金重点项目（U1813207、U1613223）；
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崎岖的山丘或低洼沼泽占到了陆地表面半数以上的面积,并不适合轮式、履带式机器人在上面行驶,四足机器人因其结构特点在未知非结构地形上具有显著优势。对角步态为四足机器人研究中广泛采用的中速步态,由于采用该步态支撑区域仅为一条支撑线,因此实现四足机器人以对角步态在未知非结构地形上自适应稳定行走是四足机器人研究的难点,并且采用视觉传感器对地形进行感知和建模存在建模精度不足、对算力要求较高等问题。本课题为解决上述问题,进行了四足机器人运动规划方法和地形适应方法的设计,并在现有四足机器人样机上开展实验研究。根据对角步态的特点和非结构地形对机器人运动性能的要求,提出了四足机器人对机身位姿及单腿运动的运动规划方法以及地形信息估计方法。首先采用连杆关节模型对四足机器人进行了运动学建模,基于D-H方法得到机器人正运动学方程,进而推导出逆运动学方程及雅可比矩阵,通过拉格朗日方法进行机器人单腿动力学建模。将四足机器人的运动规划分解为对身体位姿的规划和腿部足端期望落足点和摆动轨迹的规划,针对四足机器人所处的路况特点以及机器人腿部运动的要求,设计足端轨迹规划方法保证机器人能够有效跨越未知地形中的障碍并保持运动稳定性,根据四足机器人以对角步态运动的特点,设计一种基于虚拟支撑多边形的机器人身体质心规划方法,有效保证身体质心位置实时根据腿部支撑区域调整,保证机身的稳定。根据四足机器人当前足端位置坐标对地形信息进行估计,结合估计的地形信息实时调整机器人身体姿态以适应地形高度和坡度,并对基于速度的期望落足点位置根据地形估计信息加以修正,保证机器人在未知地形中的身体位姿和足端位置与地形相符。通过广义动量观测器的方法实现足端接触外力估计,建立足端触地概率模型,通过融合机器人的步态相位、足端高度以及足端估计外力实现对足端触地事件的判断。为了对本课题设计的运动规划方法的有效性进行验证,搭建了四足机器人仿真环境,并在仿真环境和四足机器人样机上分别进行实验验证。实验样机采用Intel UP-Board作为主控系统,通过惯性测量单元（IMU）感知机器人机身姿态等参数,采用CAN总线实现通信。开展了四足机器人在平坦路面行走,斜坡路面行走和楼梯行走实验,实验表明该运动规划方法和地形适应方法能够实现四足机器人自主适应未知非结构地形,并保持稳定行走。
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