可变结构体机器人多步态控制方法研究

Variable robot is one of the new types of rigid-flexible coupling robots. It has many advantages, such as high strength and mass radio, good deformation and strong environment adaptability capacities. It has broad application prospects in aerospace, exploration, disaster relief and other fields. This project aims at the problems that include suitable multi-gait hard to choose in complex environment, the poor motion stability abilities and inefficiency of robot on slope plane, and the optimal planning trajectory restricted by the influences of robot characteristics and environment restricted. The project intends to focus on optimal gait quantitative evaluation method and the control strategy of motion and obstacle-crossing of robot on slope plane with crawling gait is proposed. The motion planning method is proposed to effectively integrate the environmental terrain features, robot mechanism and motion characteristics, and the optimal gait of robot, which can improve the planning efficiency and autonomy ability of robot. On the basis of the principle prototype and the simulation control system, the multi-gait motion and multi-state transformation, and the motion planning method of the robot are validated effectively. The research results of this project can enrich the control theory of rigid flexible coupling robot, expand the application space of this type of robot in complex environment and improve the adaptability of robot.

可变结构体机器人是一种新型刚柔耦合机器人，具有强度质量比高、变形能力好、环境适应能力强等优点，在航天、探测、救灾等领域具有广阔的应用前景。本项目针对可变结构体机器人复杂环境下难以选取合适步态，斜坡运动效率低、稳定性差，运动规划最优轨迹生成受机器人本体性能约束及环境影响较大等重要问题，拟重点研究可变结构体机器人最优步态定量评价方法、可变结构体机器人利用蠕动步态完成斜坡稳定爬行及越障的控制策略，研究一种将环境地形特征、机器人机构及运动特性、机器人最优步态的选取有效融合的运动规划方法，提高机器人复杂环境下的自主运动能力。通过原理样机和仿真控制系统，对机器人多步态运动、多相型相互转换以及运动规划方法等研究进行有效验证。本项目的研究成果能丰富刚柔耦合机器人的控制理论，拓展该类型机器人在复杂环境下的应用空间，提高该类型机器人环境适应性及自主能力。

可变结构体机器人是一种新型刚柔耦合机器人，具有强度质量比高、变形能力好、环境适应能力强、抗震抗压能力强等优点，在航天、探测、救灾等领域具有广阔的应用前景。本项目重点研究了可变结构体机器人最优构型定量评价方法、可变结构体机器人蠕动步态斜坡有效爬行控制策略，同时提出一种将环境地形特征、机器人机构及运动特性、机器人最优步态的选取等有效融合的运动规划方法。在原理样机和仿真控制系统上，对机器人多步态运动、多相型相互转换以及运动规划方法等进行有效验证。具体包括：（1）结合VXtrack运动捕捉系统搭建了实验平台，可以较为精确地检测机器人顶点的位置，实现了机器人从硬件驱动到反馈进行控制的系统集成，完成机器人的滚动方向预测实验和静态坡面研究实验，并取得了理想的结果。（2）对张拉整体机器人进行了数学建模，得到了机器人压杆与拉索的关系。根据机器人结构的平面展开图，得到了机器人的两种初始状态，以及机器人的运动具有一定的规律性。之后，借助平衡矩阵法和“乘积力”确定了张拉整体结构属于动不定静不定结构，且能在自应力模态下实现结构的稳定。（3）利用有限元方法对张拉整体机器人建立了机器人节点的平衡方程，并添加了相应的约束条件，将该问题转化为约束优化问题。利用遗传算法进行了求解，并通过重力转矩与底边三角形的各边矢量的点积得到致动器与滚动方向之间的关系。解决了机器人在斜坡进行滚动运动方向控制的问题。（4）针对现有机器人本体运动性能的约束以及构型转换的限制条件，研究了基于启发式搜索算法以及机器学习算法的机器人运动规划方式，进一步提高了机器人的环境适应性，通过实验与仿真的方式证明了方法的有效性。