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六足步行车容错步态与稳定控制研究
| 论文题名： | 六足步行车容错步态与稳定控制研究 |
| 关键词： | 六足步行车;容错步态;稳定控制;移动轨迹;偏离规划 |
| 摘要： | 伴随人类技术的飞速发展，机器人技术的研究亦方兴未艾。形式多样的机器人广泛出现在星球探测、灾难救援、军事应用等领域并发挥着巨大作用，本文结合当前关于足式步行车的研究成果，进行六足步行车在故障后的行走步态以及稳定控制方法研究，实现六足步行车在故障状态下的运动控制，这对于自主执行任务的足式步行车具有重要意义。 本文分析六足步行车的构型，建立六足步行车的坐标系统，分析不同坐标系之间的转换关系，并基于D-H方法分析系统的正运动学模型和逆运动学模型。分析步行车单腿的速度雅克比矩阵，得到步行车的关节坐标空间与足端运动空间的速度关系。将步行车的质心看作具有六个虚拟自由度的关节，进行了运动约束分析，得到机体可控性与支撑腿数目的关系。 针对六足步行车故障数目和故障腿与机体的相对位置关系，分析六足步行车可容错性。分别针对单腿故障和双腿故障，基于稳定性约束条件规划六足步行车容错步态相位序列，提出了单腿故障步行车采用三足-四足混合步态，双腿故障采用三足步态的容错步态规划方法，建立完整的序列生成机制。针对步行车特定运动过程中稳定裕度过小的问题，提出了髋关节预调整的稳定控制方法，给出了求解相对最优髋关节调整角度的数值方法。 规划六足步行车的直线运动，基于复合摆线规划了六足步行车的摆动足端轨迹和质心移动轨迹，结合步行车逆运动模型求解了关节转角。基于动力学仿真软件ADAMS和控制软件MATLAB，建立六足步行车联合仿真模型。分别仿真单腿和双腿故障下的直线行走步态，并对仿真结果进行分析。 针对六足步行车偏离规划方向的问题建立了位姿反馈控制模型。推导了与机体质心位姿相关的速度逆运动学理论模型，在ADAMS和MATLAB中搭建了位姿PD反馈控制的仿真模型，调节模型的积分增益和微分增益，对有位姿闭环控制的仿真结果和无位姿控制的开环结果进行了对比分析，证明了位姿控制速度逆运动学模型的正确性，在一定程度上提高了步行车的运动稳定性。 结合容错步态规划方法、稳定控制策略和位姿控制，单腿故障和双腿故障的六足步行车具有良好的容错能力，能实现期望的运动轨迹，实现了在结构化路面上的稳定行走。 |
| 作者： | 范宣霞 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 刘涛 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工业大学 |
| 学位年度： | 2020 |
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