高动态四足机器人步态规划和优化与稳定运动控制方法研究

Recently, high performance quadruped robots have obtained extensive attention at home and broad, the related research work was developed in view of how to improve the highly dynamic characteristics,high environmental adaptability and heavy payload capacity of the quadruped robots and has achieved certain achievements. However, the fundamental breakthrough for the problems of gait planning and stable locomotion during fast movement have not been reached. Especially for the highly dynamic quadruped robot with the torso degrees of freedom, it is particularly urgent to solve the problems of real-time gait planning and stable locomotion. To solve the problems mentioned above, based on imitating the quadrupedal mammal cheetah with torso degrees of freedom and high speed ability, this proposal designs the bionic stucture of the quadruped robot with high speed performance through analyzing the skeletal anatomy and motion mechanism of the cheeath, research areas also include the gait planning and optimization of the quadruped robot during the fast movement, the designs of the stability criteria of dynamic walking and the control strategies of stable locomotion. In terms of the analysis of mathematical model and virtual prototype simulation of the quadruped robot, we will verify the feasibility and effectiveness of relevant theory and key technology, which will provide some theoretical guidance and simulation tools for the development of the physical prototype of highly dynamic quadruped robot.

最近几年高性能四足机器人在国内外引起了广泛地关注，针对如何提高四足机器人的高动态特性、高环境适应性和大负载能力，开展了相关的研究工作，取得了一定的研究成果。但是，在机器人快速运动过程中的步态规划和稳定运动控制问题尚未取得根本性突破，特别是针对具有躯干自由度的高动态四足机器人，其实时的步态规划和稳定运动控制问题的解决尤为迫切。针对上述存在的问题，本课题拟以猎豹这种具有躯干自由度和高速奔跑能力的四足哺乳动物为仿生对象，通过对其骨骼结构、运动机理的分析，设计具有高速奔跑能力的高动态四足机器人仿生机构；进行机器人高速奔跑过程中动步态的规划和优化；设计机器人高速奔跑时的动态稳定判定方法和稳定运动控制策略；通过数学模型分析和虚拟样机仿真验证机器人高速奔跑时的步态规划、动态稳定运动控制等相关理论和关键技术的可行性和有效性，为研制高动态四足机器人物理样机提供一定的理论指导和仿真验证手段。

近年来高性能四足机器人在国内外引起了广泛地关注，本项目针对如何提高四足机器人的高动态特性和稳定运动控制能力，开展了相关的研究工作。.在研究具有铰接式躯干四足机器人研究现状的基础上，给出了高动态四足机器人研究的重点，主要研究内容和取得的主要成果如下：（1）给出了四足机器人具有强环境适应性的步态规划方法，该方法利用标准能量稳定裕度进行机器人稳定性的判定，实现了四足机器人在复杂崎岖地形环境下的自主、稳定运动。（2）提出了一种新的、基于简化动力学模型的四足机器人跳跃步态控制方法，触地缓冲阶段采用竖直弹簧阻尼模型，蹬地阶段使用虚拟模型调整腿部对地推力方向，摆动相使用贝赛尔曲线规划足端轨迹，实现了机器人的周期性跳跃运动。（3）提出一种四足机器人基于对角小跑步态的稳定运动控制方法，利用支撑相虚拟模型控制和摆动相虚拟模型控制，实现了机器人躯干高度、姿态角、前向速度和自转角速度的解耦控制，利用仿真环境中展示了机器人应对不平坦地形能力，说明了本方法的鲁棒性和有效性。（4）提出了机器人以对角腿站立状态下的平衡控制方法，将四足机器人的模型进行简化，对相应模型的自由度进行控制解耦，利用LQR和VMC方法对机器人进行控制，实现了机器人的具有强鲁棒性的平衡控制方法。（5）在推导的四足机器人单腿运动学和动力学模型的基础上，基于ODE（开源动力学引擎），开发了一款用于四足机器人控制算法验证的动力学仿真软件，设计了四足机器人小跑步态仿真实验；利用机器人仿真软件验证了相关的理论和方法的可行性和有效性。 .项目团队共发表期刊论文17篇，其中SCI收录论文4篇，EI收录论文10篇，EI收录会议论文9篇；实质审查发明专利1项，软件著作权2项。培养研究生毕业1人，在读2人。相关理论成果可为研制高动态四足机器人物理样机提供较好的理论指导和仿真验证手段。