径向对称六轮腿月球机器人步态规划

admin · 发表于昨天 19:54

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好奇和求知的欲望使得人类不满足于对地球的了解，不断探索地球以外的世界。美国航天局NASA火星探测的成功激励了更多的国家，月球探测已经列入许多国家的探索日程。但许多外星球如月球上的恶劣环境止住人类直接探索的脚步，机器人此时则代替我们挑起重任。轮式机器人在月球和火星上的经历呈现出其局限性，腿式机器人在复杂地形上存在绝对优势，但平地行走效率相当低下，轮腿结合成为一种选择。轮式机器人技术已经趋于成熟，腿式机器的诸多技术，如多腿机器人运动学、动力学及步态规划，依然不完善，还有待提高。基于此，本文首先介绍了一种径向对称的六轮腿的星球探测机器人系统(NOROS)及其优势，分析了该系统本体结构设计、轮腿数目选择的合理性。然后详细推导了六腿机器人的运动学和动力学方程。其中正逆运动学的推导主要从几何学角度，模型简单易懂；动力学方面，本文从支撑腿的足端出发，利用旋量和指数积公式，以紧凑形式描述机器人各个部位在物体坐标系中的速度和加速度，使得拉格朗日方程中的动能计算简单易得，从而简化整个动力学方程和计算。现有许多文献在分析支撑腿各个关节所需力或力矩时，将摆动腿简化成质点，简单地叠加到本体之上，忽略摆动腿各个部件的转动惯性。本体推导的紧凑形式的动力学方程则完整地考虑了机器人各个连杆的移动和转动以及相互之间的作用，且模型表达清楚简洁。要让腿式机器人行走，另一个重要方面就是步态规划，即如何协调各个腿之间的运动，各个腿该以怎样的顺序移动。六腿机器人因为极易实现静态稳定行走，且具有冗余容错性，其步态已经得到广泛的研究，已发现了多种可行步态，包括常规步态和容错步态。但现有研究主要集中在两边对称的矩形六腿机器人身上，各个步态之间的比较也不是很完整。本文针对径向对称六腿机器人，在总结现有静态稳定周期步态时，发现了现有踢腿步态和摆动步态以外的混合步态和两相邻或相间腿脱落或损坏时的容错步态，研究了其实现方法。此外，本文还对类似NOROS结构的机器人各种3+3静态稳定周期步态从两种初始位姿出发的稳定性、转弯性能、能耗以及地形的适应性进行了比较，为下一步的智能步态打下基础。此外，本文还分析了本体高度和机器人行走步长与周围障碍物形状的关系，并且通过计算和仿真，研究了本体高度以及步长变化对能耗的影响。也为机器人的智能行走，提供更多的参考。最后，步态规划结果在现有的一个NOROS样机上得到验证，该样机是2007年由北航空间机器人实验室的合作伙伴米兰理工大学机械学院机器人实验室制造。由于该样机由舵机驱动，通过位置或速度进行控制，因此未能进行动力学样机测试。

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