基于四脚支持时间的四足机器人斜面静态步行研究及实验仿真

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当今人类为扩大自身活动空间,要开发宇宙,开发海洋,会在没有人工道路的环境中利用机器人代替人类去做比较危险的工作,在这种环境中不能利用轮式机器人,足式移动机器人对各种复杂地面具有灵活适应性,可以在复杂地形下进行步行运动以及完成运输任务等,所以广泛应用于救灾以及工程等领域。四足机器人又是足式机器人中最实用的一种,在复杂地面进行移动时,承载能力强、静步态移动的稳定性较好。目前对四足机器人在斜面的静步态研究,研究人员提出了机器人平行于斜面的全方位静态全方位步行,但是在这种方法中,四足机器人运动到支持脚对角线附近出现了稳定裕度为0的情况,在实际的运动过程中机器人机体出现了倾倒的现象。本文对斜面上的步态方法进行研究,以实现斜面上的快速、连续、稳定的全方位步行为目标,以全方位静态步行理论为基础实现斜面的步行运动,提出机体水平的斜面全方位静态步行,并对其稳定性进行研究,针对出现的不稳定问题,分析原因,提出了解决方法,具体的研究工作如下:(1)斜面全方位静态步行研究。考虑到斜面行走环境的复杂性,首先进行机体姿势的选取,然后对斜面各坐标系进行设定,进行斜面脚可动范围的设定,设定斜面脚的基准位置,以及通过算法计算斜面CFP点的位置。之后进行斜面静态步行的步态规划,由旋转中心的位置选取步态,设计各种步态之间的步态迁移,实现各种步态之间的步态迁移及斜面的全方位静态步行。(2)斜面步行中的稳定性分析。本文研究所用的稳定性判据为Sm稳定裕度,Sm稳定裕度的判定方法是定义在斜面基础上的判据,本文对Sm稳定裕度进行完善,设计斜面Sm稳定裕度的计算方法;利用Sm稳定裕度对斜面全方位静态步行进行稳定性分析并提出稳定性存在的问题。针对这一不稳定的问题,并找出了不稳定因素存在的原因,提出通过提高占空比大于0.75来增加四脚支持时间,设计具有四脚支持时间的斜面全方位静态步行,并利用四脚支持时间移动四足机器人重心的方法来消除不稳定因素,根据步态迁移种类的不同,分别给出了移动重心的具体方法。(3)仿真实验。本文建立了实验仿真平台,设计程序使之可以输出Sm稳定裕度数据,并对数据进行处理分析,验证了具有四脚支持时间的斜面全方位静态步行规划方法的有效性,从实验结果中可以看出,整个步态迁移过程中,Sm稳定裕度最小值得到了很大提高,通过对比p取值不同时稳定裕度的值验证了本文步态提高稳定性的效果,可以实现机器人在斜面上的快速、连续、稳定的行走。
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