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1、硕士学位论文 六足仿生机器人结构优化设计及其位 姿控制策略研究 TRUCTURAL OPTIMIZATION DESIGN AND RESEARCH ONPOSTURE CONTROL STRATEGYOF BIOMIMETIC HEXAPOD ROBOT 刘海清 哈尔滨工业大学 2012年 7月 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:/ 国内图书分类号： TP244 国际图书分类号： 681.568.74 学校代码： 10213 密级：公开 工学硕士学位论
2、文 六足仿生机器人结构优化设计及其位姿控制策略研究 硕士研究生： 刘海清 导 师： 邓喜军教授 申请 学 位： 工学硕士 学 科 : 机械电子工程 所在 单 位： 机电工程学院 答辩 曰 期： 2012年 7月 授予学位单位： 哈尔滨工业大学 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:/ Classified Index: TP244 U.D.C: 681.568.74 Dissertation for the Master Degree in Engineer
3、ing TRUCTURAL OPTIMIZATION DESIGN AND RESEARCH ON POSTURE CONTROL STRATEGY OF BIOMIMETIC HEXAPOD ROBOT Candidate： Supervisor： Academic Degree Applied for： Speciality： Affiliation： Date of Defence： Degree-Conferring-Institution： Liu Haiqing Prof. Deng xijun Master of Engineering Mechatronic Engineeri
4、ng School of Mechatronics Engineering July, 2012 Harbin Institute of Technology 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:/ 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 随着科技的发展，机器人的研究逐渐从结构化环境中的定点作业向非结构 化环境中的自主作业转变，这要求机器人具有在非结构化地形下自主行走的能 力。六足机器人的步态丰富，具有较高的灵活性和稳定性，同时能够通过位姿 的实时调整来提高
5、机器人的步行稳定性，对地形的适应能力强，因而能够满足 在崎岖地形中稳定行走的要求。 本课题研究的目的是设计一种模块化，集成化，多传感器的，能够在非结 构化环境下全方位稳定行走的六足仿生机器人，在此基础上对机器人的运动学 进行分析，并进一步对机器人的位姿控制策略进行研究，从而实现六足机器人 的稳定行走。 首先，结构设计部分，以节肢动物为仿生原型，考虑机器人的功能实现和 其它现实因素，完成六足机器人的整体机械结构设计及腿部的结构优化。结构 设计包括：从仿生学的角度对六足机器人进行结构建模，以灵活性和稳定性为 设计目标来进行机器人的躯干设计，同时以模块化和集成化为设计指导，对腿 部结构进行优化，减小
6、腿部的重量和尺寸。 针对设计出的六足机器人，建立 D-H坐标系， 对机器人的摆动腿和支撑腿 进行正逆运动学分析，为之后的位姿控制策略研究打下基础。同时对六足机器 人摆动腿和躯干的工作空间进行分析，为六足机器人的运动规划提供条件。 针对六足机器人的步行稳定问题，对机器人的位姿控制策略进行研究，并 将其分成两步来实施：采用基于最优位姿和重心调整的位姿调整策略，完成机 器人的位姿调整；同时基于足力控制的位姿保持策略，实现机器人的稳定行走 ; 六足机器人的位姿控制通过力 /位混合控制系统来实现。位姿控制策略的研究， 为六足机器人的整体运动规划和控制打下基础。 最后，将设计的 Pro/e机械结构模型导入
7、到 Adams/View环境下，建立约束 和运动，对位姿调整策略进行仿真验证。然后将 Adams模型导入到 Matlab环 境下，建立 Simulink控制系统，对位姿保持策略进行联合仿真实验并分析结果。 关键词：六足机器人；结构设计；运动学分析；位姿控制策略；力 /位混合控制 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:/ 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 Abstract With the development of science and technolog
8、y， Robotics Research is gradually changing from the fixed-point operations in a structured environment to autonomous operation in unstructured environments, which requires that the robot has the capability of walking independently on unstructured terrain. The hexapod robot has advantages such as goo
9、d flexibility, high stability and wealth of gait, so it can adapt to the terrain well and meet the need of walking on unstructured terrain. The purpose of this paper is to design and evaluate a modular, integrated and multi-sensor biomimetic hexapod robot, which has full range of stable walking in u
10、nstructured environments. On this basis, kinematics analysis is done, and posture control strategy is employed to improve the stability of walking. First, arthropods is used as bionic prototype, combined with considering about the functions implementation of the robot and other practical factors, th
11、e overall hexapod robot mechanical structure design and the structural optimization of the legs has been done. Structural design includes structural modeling from the perspective of bionics, design of the robots trunk following the goal of improving flexibility and stability, and legs designed as mo
12、dular and high-integrated with the optimized parameters. With the hexapod robot developed, the D-H coordinate system is built up, at the same time, and both the forward and inverse kinematics analysis of the robots swing legs and supported legs have been done. This work lays the foundation for the f
13、ollowing posture control strategy. The workspace analysis of hexapod robots swing legs and trunk is also done, which provides the conditions for the hexapod robot motion planning. Considering about hexapod robot walking stability, study on posture control strategy has been done. Posture control stra
14、tegy is divided into two parts： First, posture adjustment strategy based on optimal posture is used and combined with center of gravity(COG) adjustment strategy to complete the robot posture adjustment; Then, posture balanced strategy based on force control is used to achieve robots stable walking;
15、Hexapod robots posture control is achieved by the hybrid force/position control system. The study on posture control strategy laid the foundation for hexapod robot motion planning and control. Finally, the mechanical structure model designed from pro/e is imported into Adams/View environment, then t
16、he constraints and movement is set up, and 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:/ 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 simulation experiment of posture adjustment strategy is done. Then, adams model is imported into the Matlab, and the simulink control system is built u
17、p. Joint simulation is done to evaluate the posture balancing strategy. Keywords: hexapod robot, structural design, kinematics analysis, posture control strategy, position and force hybrid control 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:/ 哈尔滨工业大学工学硕士学位
18、论文 目录 m w . I ABSTRACT . H 第 1 章绪论 . 1 1.1课题来源及背景 . 1 1.2六足机器人发展概况 . 2 1.3位姿控 制策略研究现状 . 6 1.4文章主要研究内容 . 8 第 2章六足机器人结构优化设计 . 9 2.1弓丨 W . 9 2.2六足机器人结构建模 . 9 2.3六足机器人躯干结构设计 . 10 2.4六足机器人腿部优化设计 . 11 2.4.1关节模型优化 . 12 2.4.2内部走线优化 . 15 2.4.3系统布局优化 . 16 2.4.4传感器优化 . 17 2.4.5外形设计优化 . 17 2.5本章小结 . 19 第 3章六足机器
19、人运动学分析 . 20 3.1引言 . 20 3.2六足机器人位置和速度分析 . 20 3.2.1摆动腿的位置分析 . 20 3.2.2支撑腿的位置分析 . 23 3.2.3六足机器人速度分析 . 25 3.3六足机器人工作空间分析 . 26 3.3.1摆动腿的工作空间分析 . 26 3.3.2躯干的工作空间分析 . 27 3.4本章小结 . 28 第 4章六足机器人位姿控制策略研究 . 29 4.1 弓 IW . 29 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http
20、:/ 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 4.2六足机器人位姿调整的基本策略 . 29 4.2.1六足机器人的重心调整 . 30 4.2.2六足机器人的最优位姿调整 . 31 4.3六足机器人位姿调整策略分析 . 35 4.3.1结构化地形下的位姿调整 . 35 4.3.2非结构化地形下的位姿调整 . 39 4.4六足机器人位姿保持策略 . 41 4.4.1六足机器人的足力分布模型 . 42 4.4.2六足机器人的虚拟悬挂模型 . 44 4.5本章小结 . 46 第 5章位姿控制仿真实验及结果分析 . 47 5.1弓唁 . 47 5.2结构化地形下位姿调整的仿真结果及分析 . 47 5.3非结构化
21、地形下的位姿调整仿真结果及分析 . 51 5.4位姿平衡保持的仿真结果及分析 . 52 5.5本章小结 . 56 it it . 57 . 59 攻读学位期间发表的学术论文 . 63 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 . 64 m . 65 -IV- 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:/ 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第 1 章 绪 论 1.1课题来源及背景 本课题来源于国家自然科学基金 （ No. 51105101)，机器人技术与系统国
22、家 重点实验室（哈尔滨工业大学）自主课题 “ 多足仿生机器人高性能运动控制研 究平台 ”（ SKLRS200901A01)。 随着科技的进步，机器人的研究逐渐从结构化环境中的定点作业向非结构 化环境中的自主作业转变，如空间探索、军事侦察、抢险救灾、采矿伐木等 1。 复杂的环境要求机器人具有较高的灵活性和稳定性。传统的轮式、履带式机器 人结构简单，控制方便，在结构化地形下的行走效率较高，然而对非结构化地 形的适应能力差 2,3。足式机器人能够越过比较大的障碍物 (如沟、坎等 )，并且 腿部的大量自由度使机器人的运动更加灵活，因而足式机器人对复杂地形的适 应能力更强。同时，足式机器人通过离散的落足
23、点与地面接触，对地形要求不 高，并能通过腿部的伸缩来调整重心位置和躯干姿态，因而稳定性较好。 仿生机器人是指模仿生物并从事生物特点工作的机器人，对外界环境的适 应性强。多足仿生机器人则是指模仿多足生物的身体结构、运动形式和功能特 征的特种机器人，兼具 足式机器人和仿生机器人的优点，具有较好的运动控制、 位姿调整和信息融合等能力，同时稳定性好、灵活性高、越障能力强，具有出 色的地形适应能力。自上世纪六十年代以来，国内外已经开发出许多种这类机 器人的模型或样机，但由于相关的基础理论和技术的滞后，以及多足仿生机器 人运动和控制的复杂性，给其大规模的实际应用造成了困难。尽管如此，多足 仿生机器人在国民
24、经济和国防建设的众多领域中有着广泛的应用前景。 常见的多足仿生机器人有四足、六足和八足等。其中，六足机器人具有丰 富的步态和较强的地形适应能力，能够在失去若干腿节的 情况下继续作业，稳 定性和可靠性较高，因而适用性广。六足机器人的灵活性和稳定性主要取决于 其自身的位姿4，特别是在复杂的非结构化地形下，位姿的变化幅度较大，需 要通过位姿的实时调整，来提高机器人的步行稳定性和行走效率。 本课题从仿生学的角度出发，设计一种模块化、集成化的，能够在非结构 化环境下全方位稳定行走的六足机器人，在此基础上对机器人的运动学进行分 析，并进一步对机器人的位姿控制策略进行研究，实现融于步态的位姿控制， 1994
25、-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:/ 哈尔滨工业大学工学硕上学位论文 为六足机器人的运动控制打下理论基础。 1.2六足机器人发展概况 多足仿生机器人最早可以上溯到三国时代蜀国丞相诸葛亮发明的运输工具 木牛流马，而国外则是十九世纪末发明的机械马。此后，多足仿生机器人 进入了蓬勃发展的时期。特别是从上世纪八十年代 McGhee与 Frank研究四足 机器人以来，多足仿生机器人就成为了学者们研究的热点和难点，其研究现状 可以用加拿大学者 J. Angeles教授的一句
26、话来概括，即 “ 多足仿生机器人的基 础理论研究的脚步要远远滞后于其技术开发的脚步 ” 。这是因为，虽然学者们研 发了各种各样多足仿生机器人的模型或样机，但是这类机器人的一些基础理论 和技术尚未得到根本的解决。近百年来多足仿生机器人的发展历程可归纳为下 面的三个阶段。 (1) 机器人以机械和液压来实现其运动控制 1968年美国研制了 一个名为 Walking Truck” 的四足步行机，采用液压随动 控制系统来实现其运动，这是现代多足机器人发展史上的一个里程碑。 (2) 机器人以电子计算机技术来进行运动控制 这一阶段具有代表性的是 McGhee与 Frank合作研制的 “Phony Pony”
27、 四足步 行机，它的每条腿包含 2个自由度，能够简单的爬行。后来他们又在 1977年研 制了六足机器人 “ OSU” ， 该机器人的每条腿包含 3个自由度，具有转向和避障 功能。其他还有 1983年研发的能上下台阶的六足机器人 “ ODEX-I” 1989年 Whittaker等人研发的用于空间探测的六足机器人 “ AMBLER” ， 1996年研制的仿 哺乳动物的仿生四足机器人 “ BISAM” 等。 (3) 机器人融合环境感知、运动规划和人机交互的自主控制 随着机器人技术的不断进步和提高，多足仿生机器人的研究已经进入到多 功能性和自主性的新一代机器人阶段，要求机器人具备多样作业功能的同时，
28、 还需要具备感知环境的功能、自适应控制功能以及人机交互的功能等。图 1-1 为美国 NASA研发的外形类似蜘蛛的微型四足仿生机器人 “ Spider-bot” ， 具有体 积小重量轻的特点，可在非结构化的星球表面行走。 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:/ 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图 0-1 Spider-bot 目前国际上的一些重要进展主要体现在空间探测和军事应用方面。如印度 于 2002年成功研发的六足机器人 “ 舞王 ” ，如图 1-2左，
29、由印度科学家历时 8 年完成，可以爬楼梯，越过高 45cm的障碍物。图 1-2右图为 Boston Dynamics 研发的 Littledog四足机器人 5，： Littledog的每条腿有三个自由度，关节采用伺 服电机驱动，躯干有六个自由度，整个机器人共 18个自由度；具有自学习、规 划和控制能力，能够在崎岖地形下稳定快速行走。 图 0-2舞王和 Littledog 近年来，随着电子计算机技术和昆虫仿生学理论的迅速发展，国内外的学 者相继研制出了许多高性能的六足机器人。 1989年，美国 MIT研发出了用于行星表面探测的六足机器人 Genghis 6(图 1-3左），该机器人的腿部包含两个
30、旋转自由度，通过伺服电机驱动，集成了力 矩传感器、触须传感器和加速度计，能够在复杂地形中行走。 图 0-3 Genghis 和 Attila 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:/ 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 随后 MIT又研发了六足机器人 Attilam (图 1-3右），该机器人的腿部包含 三个旋转自由度，在设计上采用了模块化的思想，具有较强的容错能力。 1995年， MIT研发了六足机器人 Ariel8,9(图 1-4左 ）， 用于浅滩排雷。该
31、机器人腿部包含两个旋转自由度，控制简单，运动灵活，具有翻转行走能力和 防水功能。 图 1-4右为美国 Case Western Reserve大学以竹节虫为仿生原型研制的六足 机器人 Robot II1G。该机器人的腿部包含四个自由度，其中三个转动自由度， 一个胫节的被动柔顺自由度，通过足底反射机制来缓冲地面对足端的冲击力。 图 0-4 Ariel 和 Robot II 2000年，新西兰 Canterbury大学研发了仿竹节虫六足机器人 Hamlet11， 主 要用于研究足式机器人在非结构化地形下的运动策略，如图 1-5左所示。该机 器人单腿包含三个旋转自由度，通过 Maxon电机驱动，足端
32、装有采用框架应变 结构的三维力矩传感器，躯干安装了姿态传感器，能以平均 20cm/S的速度在复 杂非结构化地形中行走，具有一定的越障能力。 Hamlet机器人采用二级分布式 控制，通过构建腿间影响机制来生成全方位步态；采用足端的力 /位混合控制方 法来实现腿部的柔顺控制，提高机器人的鲁棒性。 图 0-5 Hamlet 和 Lauron IV 图 1-5右为德国 Karlsruhe大学研发的六足机器人 Lauron IV 12 13，该机器 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reser
33、ved, http:/ 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 人腿部包含三个旋转自由度，头部安装有全方位定位摄像头，机器人足端装有 三轴力传感器，关节处安装有力传感器，躯干安装了倾角计和红外接近传感器， 通过 “ 语义法 ” 増强机器人对非结构化地形的认知和区分能力。基于 “ 是否任 务相关 ” 、 “ 是否使用传感信息 ” ，将步行任务等级分解为具有包容体系结构 (Brooks)的 3个功能层次（位姿控制层、地形自适应层、运动生成层）。 2008年，德宇航基于灵巧手 DLR-Hand II开发出仿生六足机器人 DLR-CraWler14，主要用作六足机器人控制研究平台。如图 1-6所示。该机器人
34、采用力 /位混合控制来实现单腿的柔顺运动，采用三角步态生成基本运动，无位 姿调整，并通过双目视觉系统进行机器人的路径规划，可在平坦及轻度崎岖地 面平稳 行走。 图 0-6 DLR-Crawler 美国科学家最新研制的 ATHLETE (全地形六足星际探测器）机器人将用于 探测最恶劣的环境，包括月球、火星，可执行运输任务，具有优秀的承载能力， 如图 1-7所示。该机器人的腿部为轮足式结构，能在非结构化地形中行动自如， 同时腿部安装有钻和铲子等工具。 ATHLETE还装备有 12个摄像头，能传回外 星地形的三维图片。 图 0-7 ATHLETE 图 1-8左图为仿弓背蚁的六足机器人，是由北京理工大
35、学研制成功的仿生 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:/ 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 机器人。该机器人的腿部含有三个自由度，通过直流电机驱动，同时集成了多 个红外和超声波传感器。机器人 采用模糊算法对传感器信息进行处理，以实现 实时的避障功能。 图 1-8右为华中科大研制的 MiniQuad可重构多足仿生机器人，可根据需要 变换成四足、六足等不同的构型，具有模块化、腿臂融合的特征，容错性好。 图 1-9左为哈工大研制的第一代六足机器人 HITCR-I1
36、5，单腿包含三个旋转自 由度，采用连杆传动，舵机驱动，具有结构紧凑，刚度好，转动惯量小的特点。 足端装有接触开关，用于检测是否触地。 图 0-8仿弓背蚁的六足机器人和 MiniQuad 在此基础上，哈工大开始研发其第二代六足机器人 HITCR-II， 目前己完成 机器人单腿的部分研究工作 16，如图 1-9右所示。单腿具有四个自由度，包括 三个关节处的旋转自由度和一个胫节处的被动柔顺装置，具有关节模块化、系 统集成化的特点。驱动器选用盘式电机，以减小关节尺寸；传动采用同步带传 动和谐波减速器，传动平稳精确，具有良好的吸震功能。 图 0-9 HITCR-I 和 HITCR-II 位姿控制策略研究
37、现状 六足机器人的稳定性和灵活性是其运动控制的两个重要方面，机器人位姿 控制的目的，就是在不改变其支撑多边形形状的前提下，尽可能地提高机器人 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:/ 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 的步行稳定性和机动灵活性。六足机器人可以通过调整重心投影至支撑多边形 的中心以及増加支撑腿之间的间距来提高其步行稳定性。而六足机器人的运动 灵活性则是通过抬高躯干以增加离地间隙以及使腿远离其工作区域的边界来提 高。由此看来，机器人的稳定性和灵活性
38、是相互矛盾的概念，当机器人的支撑 腿靠近工作空间的中心时，灵活度增加，而支撑腿向外伸展时，稳定性提高， 因此在实际情况中需要进行二者之间的权衡。 六足机器人的步行稳定性主要通过稳定裕度来度量，稳定裕度是指机器人 重心投影到其支撑多边形各边的最小距离。为方便实际应用，稳定裕度又分为 最短距离稳定裕度、轴向最短距离稳定裕度和运动方向最短距离稳定裕度 17。 六足机器人的灵活性使机器人能够在支撑腿、躯干和地面构成的并联空间中自 由地进行位姿变换，通常采用灵活度来度量。 六足机器人的位姿控制是机器人在各种运动状态下对其稳定性和灵活性 进行主动和持续的维护与控制，这些运动状态包括站立、行走以及奔跑 18
39、。六 足机器人的位姿包括重心位置和躯干姿态，可用空间上的六维位姿矢量来表示。 影响六足机器人步行稳定性的因素较多，其中主 要包括机器人重心的稳定性、 地面对足端的冲击、躯干的位姿偏差、机器人腿的分布以及运动步态等。因此， 可以考虑在机器人的步态规划中融入位姿的实时控制，从而提高其步行稳定性。 目前位姿控制的方法主要有最优位姿法、悬浮控制法和力 /位混合控制法。 (1) 最优位姿法 最优位姿法 192()由 Enric Celaya和 Josep M. Porta于 1998年提出，通过合理地选择参考位姿，并在 a前位姿和参考位姿之间通过虚 拟的弹簧相连，将位姿调整的过程形象地表示为弹簧的自动调
40、整过程，弹簧势 能最小时的位姿即为最优位姿。 通过梯度下降法求得最优位姿，然后通过位置 控制的方式调整到最优位姿。然而对于六足机器人而言，复杂的迭代运算量太 大，并且机器人的运动学分析复杂 21，采用位置控制的方法难以具有实时性。 (2) 悬浮控制法 悬浮控制法 2223则是从力控制的角度出发对机器人的 位姿进行控制。首先通过简化的机器人力学模型，建立竖直、俯仰和侧翻方向 的力平衡方程，进而求得足端的法向反力分布，同时建立机器人的虚拟悬挂模 型来求得修复位姿偏差所需的足力补偿，将足力分布和足力补偿一起用于机器 人的控制中。悬浮控制法避免了复杂的运动学逆 运算，不过由于是基于简化的 力学模型，只是对位姿进行了部分调整。 (3) 力 /位混合控制法 力 /位混合控制法 24是对机器人存在力自然约束 的方向上采用位置控制，而对存在位置自然约束的方向采用力控制，进而实现 力和位置的混合控制。对于六足机器人而言，则是对机器人六维位姿矢量的水 平分量采用位置控制，对竖直方向的分量则通过力控制来平衡。但由于六足机 1994-20