四足机器人砂砾地面对角行走控制方法.pdf

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1、EquipmentManufacturingTechnologyNo．4，2014四足机器人砂砾地面对角行走控制方法程品，罗欣。顾瀚戈(华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室，湖北武汉430074)摘要：为解决四足机器人在砂砾地面上对角行走容易失稳的问题，提高机器人对松软和凹凸不平地面的适应性，在位置控制的基础上提出了一种机身姿态角的调整策略，并在机器人对角行走的过程中采取了一种变阻抗参数的阻抗控制方法。最后在实际的砂砾地面进行了四足机器人对角行走实验，实验结果证明这种控制方法和调整策略对于四足机器人对角行走在砂砾地面上具有较好

2、的控制效果。关键词：四足机器人；对角行走；阻抗控制；砂砾地面中图分类号：TP242文献标识码：A文章编号：1672—545X(2014)04-0008-05四足动物的对角行走步态是指对角腿同相运动有效地将机器人的位置与末端作用力联系在一起旧。的行进模式，即每次一组对角腿处于着地状态，另外Ikeura则提出变阻抗参数控制方法，通过选择最优的一组对角腿处于摆动状态，两组交替运动，实现身体环境交互参数调整机器人的阻抗参数来满足不同任的行进。相对于每次抬起一条单腿的行走步态来说，务的需求口】。Buchli提出一种增强学习的算法来实现对角行走步

3、态的行进速度更快，是四足动物实现快变阻抗控制嗍，阻抗控制目前也逐渐应用在双足机器速行走的基本步态，也是四足机器人实现快速运动人翻、四足机器人、六足机器人嗍身上，具有较好的的期望形式。但是由于在对角步态行进时，机器人的控制效果。机体总是处于动态平衡状态，因此，同一组处于摆动本文在机器人腿末端位置控制的基础上，采用相的腿在着地时必须保证同时“踩实”，才能进行另变阻抗参数的阻抗控制方法，能够有效调整四足一组对角腿的切换，否则将会引起机身姿态角发生大机器人机身姿态角，实现了四足机器人在砂砾路幅度变化，从而造成机器人失稳。传统的步态控制方面上稳

4、定的对角行走，大大提高了机器人对砂砾法主要是位置控制，即控制腿的末端按照既定的轨迹路面的适应性。规划运动，但是并不能保证腿的末端“踩实”，尤其是在地面刚度低，地形凹凸不平的砂砾地面上进行对角1四足机器人对角行走的位置控制行走时，情况更甚，因此要实现四足机器人在砂砾地面上的稳定行进，必须考虑机器人与外界环境交互的1．1单腿的末端轨迹规划与位置控制作用力，采用阻抗控制是解决这一问题的必由选择。四足机器人在对角行走过程中，每条腿在着地阻抗控制是通过控制力和位置之间的动态关系相和摆动相之间来回进行切换。着地相是指单腿足来实现柔顺功能，这样的动

5、态关系类似于电路中的端开始着地到再次抬腿离地期间腿的连续相位变化阻抗概念，因此而得名。阻抗控制把力偏差信号加至过程，摆动相则是从抬腿时足端离地开始到迈腿后位置伺服环，以实现力和位置的混合控制，这样很好落地期间腿的相位变化过程。解决了单纯位置控制方法未考虑与外界环境作用力单腿的末端轨迹规划主要是针对摆动相而进行的问题。设计的，处于摆动相的腿的运动可以看成是由水平方阻抗控制作为机器人柔顺控制的一种基本方法，向(方向)和竖直方向(z方向)运动合成而来。为保在工业机器人领域已得到较为广泛的研究与应用。证运动的连续性和足端运动起止时刻的速度、加

6、速度Hogan在1985年提出利用Norton等效网络概念，把为O，方向和Z方向都需要满足位移连续、速度连外部环境等效为导纳，而将机器人等效为阻抗，这样续和加速度连续等6个约束条件，方向和z方向的收稿日期：2014-01-03基金项目：国家自然科学基金面上项目(编号：61175907)；高等学校博士学科点专项科研基金(编号：20130142110081)；国家自然科学基金创新研究群体科学基金(编号：51121002)资助。作者简介：程品(1987—)，男，湖北黄冈人，华中科技大学在读硕士研究生，研究领域为机器人控制系统设计，机器人运动

7、控制方法。8《装备制造技术}2014年第4期位移均为五次曲线时才可以满足规划需求。设定最大抬腿高度为凰，迈腿距离为，运动周期为。于是有：fx(t)=匈+alt+口2++I+5，．、【z(t)=b0+6+6+6+6+6、‘本文只针对基本行走步态的轨迹规划，这样图2偏航角调整示意图方向和z方向的约束条件分别为：偏航角的位置补偿量通过PD控制器计算给f(0)=0，()=So出，即1x(O)=o，()=0(2)，{AD=Pl‘+DI‘．(6)【△日=k·ZkDI(o)=0，()=0fz(O)=0，z(，2)=Ho，z()=0其中，为偏航角；{

8、z(0)=o，(／2)=o，()=0(3)＆为角速率；I(o)=0，(，2)=o，()=0P1、D，为控制器比例和微分系数；将式(2)、(3)代人(1)，解得：rid)、A日为姿态补偿量。(￡)：t一+t(0t)(4)四