基于耦合逆动力学控制的四足机器人地质适应行走研究

This research aims to address the following key issues: (1) To get the inverse dynamics model sets for stance phase and swing phase respectively for the purpose of facilitating the computing and control of inverse dynamics of quadruped robots. This is motivated by the observation that the robot shows different dynamics characteristics during the stance phase and the swing phase. (2) To create the model of the foot-ground coupled dynamics and implement the geological adaptive locomotion. So our effort focuses on body dynamics derived from kinematic and dynamics properties during locomotion on different ground environments, such as the asphalt pavements, lawn, sandy land and so on. Through body dynamics we can get classification and identification of the environment geology, which are needed for the geological adaptive locomotion. (3) To design the smooth and compliant trajectory for COG (center of gravity) adjustment, and to investigate the posture control strategy for the stability of locomotion. (4) To plan the collision-free foot path for the local discontinuous terrain, and to generate the time optimal joint trajectories through the nonlinear optimal method based on the constraints of velocity and acceleration. The significance of this research is outlined bellow: geological adaptive locomotion is an unresolved theoretical problem in quadruped robots and also a premise for the prospective application of quadruped robots. Current rhythm of biology based methods, such as CPG (central pattern generator), are not available for the geological adaptive locomotion. It is convinced that the geological adaptive locomotion is becoming the theoretical constraint of quadruped robot development, and an innovative research topic.

研究内容：(1)鉴于四足机器人在站立相和摆动相期间的不同动态特性，分别建立站立相和摆动相的逆动力学模型，以降低其逆动力学计算的复杂度并实现逆动力学控制。(2）建立四足机器人足地接触动力学耦合参数模型；针对沥青路面、草坪、沙地等几种典型环境地质，分析机器人运动学及动力学参数变化，以机器人本身作为感知系统，进行环境地质的识别分类，从而实现地质适应行走。(3）规划平滑柔顺的重心调整轨迹，探索有效的身体姿态控制策略，保证行走的稳定性。(4）针对局部非连续地形，规划足端无碰路径，根据速度、加速度约束，利用非线性优化方法，进行时间最优的关节轨迹规划。 研究意义：实现不同地质环境下的适应行走是四足机器人亟待解决的理论问题，也是四足机器人走向实际应用的前提。目前已有的中枢模式生成器（CPG）等理论基于生物节律控制，难以实现地质适应行走。地质适应行走已成为四足机器人发展的理论制约，是具有原创性的研究课题。

四足机器人的数学模型具有非线性强耦合的特点，建模及控制难度大，特别是在未知不确定环境中运动时，四足机器人的控制尤为复杂。本项目针对地面基质变化环境中四足机器人运动的控制策略展开研究，旨在提高四足机器人在复杂环境中的运动适应性及机动性。.本研究提出了一种四足机器人快速步态变换策略，实现了四足机器人在一个步态周期内快速平滑的步态变换。该策略可使足端-地面作用力保持在一定范围内，并使机器人本体俯仰角及横滚角平滑柔顺。.针对约束环境下的有效四足行走，提出了一种基于离散跟踪微分器的四足机器人重心高度控制方法，通过节律信号振荡中值的平滑过渡，实现了机器人行走过程中的重心高度调节。.分析了四足机器人中枢模式发生器变参数行走时足地接触力的动态特性，探索了不同地面基质下四足机器人足地接触力的变化。在四足机器人平台上实现了Walk及Trot节律运动控制实验，分析中枢模式发生器控制下Trot步态不同步长和步频行走时足地接触力的动态特性，为提高四足机器人动态性能奠定了基础。.针对四足机器人在诸如摩擦系数、弹性模量等物理属性不同地面基质环境中的稳定行走问题，提出了基于支持向量机算法的地面基质分类方法。利用四足机器人在不同地面基质上行走过程时的足地接触力及机器人本体PITCH-ROLL信息，提取特征向量，采用SVM算法进行地面基质分类。利用四足机器人在摩擦系数和弹性模量不同的五种地面基质上进行了实验研究，所提出的地面基质分类方法分类正确率为99.33%。.为了改善基于Hopf振荡器的四足机器人Walk步态在不同地面基质环境的行走性能，增强四足机器人在不同地面基质环境中的适应性，本研究提出了四足机器人地面基质适应行走策略。地面基质适应行走策略有效改善了四足机器人Walk步态行走过程中的摆动腿足拖地现象，增强了四足机器人在不同地面基质行走的稳定性和适应性。