基于SLIP的四足机器人对角小跑运动控制仿真研究

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当前,运动控制是四足机器人实现高速运动和地形适应性的重要保证。在高速动态运动下,四足机器人的运动具有复杂、高维、非线性与动态耦合等特点,由此对运动控制提出严峻挑战。本文从仿生学入手,基于四足对角小跑运动的弹簧-负载倒立摆(Spring-Loaded Inverse Pendulum, SLIP)等效模型与控制模板,设计了可适用于平地乃至台阶地形的四足机器人对角小跑运动控制与步态生成算法。分析了四足运动的步态描述方法与几种典型步态形式,聚焦到快速对角小跑步态;分析了四足对角小跑运动的SLIP模型等效过程;对考虑机身惯量的平面单腿SLIP等效模型分飞行相与着地相进行了动力学建模与分析,推导了其着地相近似解,为了解四足机器人的SLIP等效模型在飞行相与着地相的动力学特性,以及后文运动控制算法的设计提供了理论依据。针对平地乃至台阶地形上的四足机器人快速对角小跑运动,设计了基于SLIP等效模型的运动控制算法,包括飞行相的弹簧腿摆角控制、着地相的弹簧腿刚度调节与机身俯仰姿态调整;然后把控制算法从等效模型映射回去,通过四足虚拟弹簧腿的概念及位置与力的等效扩展应用到更为实际与复杂的多关节四足系统上;通过飞行相的虚拟腿摆角与伸缩腿规划,着地相的腿部关节力矩控制,设计了四足机器人等效运动控制与快速对角小跑步态生成算法。搭建Adams-Simulink联合仿真系统平台对算法进行可视化仿真验证。仿真结果验证了运动控制算法对SLIP及四足系统前进速度、弹跳高度以及机身俯仰姿态的良好控制效果,表明了本文控制算法可以有效地实现四足机器人在平地上的对角小跑步态生成以及周期稳定运动,同时对落脚点高度变化的台阶地形也具有良好适应性。
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