野外环境下基于多边协同控制及模式切换机制的六足机器人操控研究

The key point for hexapod to traverse all-terrain flexibly lies in ensuring the stability and transparency when be manipulated while satisfying the controllability and adaptability of the whole system. This work starts from researching the non-passivity of foot-terrain interaction and focuses on the multilateral coordination control as well as mode switching algorithm. It is proposed to develop the kinematic and dynamic model for hexapod robot considering the interface disturbance between foot and ground. Due to the non-passivity induced by time-delay time varying and the environment termination, a wave transformation accompanied with time-domain passivity control method will be applied for compensation. Besides, a foot force optimization algorithm will be introduced to improve the local autonomy of hexapod robots, taking consideration of the coupling cooperation between the trunk and legs, a novel multilateral coordinated control architecture integrating shared control strategy will be developed. The sharing weight factors will modified online according to multi-objective constraints and the passive control law of each subsystem will be designed based on port network theory. Finally, a structure following dynamic gain update law and flexible mode switching algorithm will be established to switch control laws robustly and adaptively. The research will play a significant role on revealing the inherent mechanism and mathematical fundamental of how foot interface disturbance and multi-mode switching affect the stability and transparency of operation and control system. It is believed that this study will lay a theoretical foundation and provide a universal scheme for the control of hexapod robots with arbitrary time span and state to transform.

如何在满足系统可控性和适应性的前提下，确保对六足机器人操控时的稳定性和透明性，是六足机器人能够灵活执行全地形通过任务的关键。本课题拟以足-地交互作用所带来的有源性为切入点，围绕多边协同控制和模式切换机制展开研究；构建受足地界面扰动的六足机器人运动学/动力学模型，面向变时延与环境端共同产生的有源性，采用波变换和时域无源性控制的方式对其进行补偿，并引入足力优化控制算法提升六足机器人局部自主能力；考虑机体与单腿协调间的耦合效应，采用多边协同操控架构，融入共享控制策略，基于多目标复合约束条件在线修正权重因子，借鉴端口网络理论确定系统各子单元的无源控制律，构建“增益动态更新”+“模式柔顺切换”的结构实现各操控通道控制律的鲁棒自适应切换；本课题的研究意义在于揭示足地界面扰动及模式自由切换对操控稳定性和透明性影响的内在机制和数学本质，为六足机器人全时间历程、全状态过渡的操控奠定理论基础及提供普适性方案。

多足机器人在地面移动机器人研究范畴内，其技术挑战性及应用扩展性占有重要席位，在野外救援、山地运输、星球探测及军事作战等领域蕴含丰富的潜力。然而，现阶段多足机器人对于作业场景的理解以及变通能力，甚至是突发状况下的移动性能均无法达到预期效果，因此能否对多足机器人进行有效的人在环操控（远程控制）则直接关系到相关科研及工程任务的成功。.围绕由野外环境带来的六足机器人操控环节中的稳定性和透明性问题，本项目以系统无源性理论为研究视角；深入分析了足-地相互作用机理对于机器人操控系统的影响程度，搭建了实时性高保真的六足机器人预测仿真平台；构建了受足-地界面扰动的六足机器人运动学/动力学模型，完善了多足机器人在野外崎岖松软地形下行为移动的基础理论；基于无源性理论，面向通信端时延及环境端外扰共同导致的系统有源性溢出问题，设计了波变换和时域无源性控制相结合算法进行补偿，针对足端滑移/位姿波动引起的机器人从端运动能力缺失的问题，通过引入半自主操控模式以规划足力优化分配算法提升六足机器人局部自主的控制能力。考虑六足机器人运动属性以及自身冗余特性，充分利用机体与腿足之间动作输出的独立性，提出了多边协同操控方案，基于共享控制策略设计各通道内权重因子的修正规则，创建了“增益动态更新”+“模式柔顺切换”的控制器设计形式，借鉴端口网络理论调整控制率参数选取空间，保证了系统稳定性及透明性。大量实验研究表明：本项目所提出的远程操控理论及方法较好地解决了六足机器人在崎岖松软地形下的运动作业难题，同时改善了系统操控性能（指令跟踪性、地形通过性以及感知透明性等）。.本项目的主要贡献在于突破了传统足-地界面纯静摩擦接触的理想假设约束，揭示了足底滑移、姿态波动以及通信时延对机器人操控性能影响的内在机制和数学本质，完善了多足机器人在野外环境下的人在环操控理论，为日后足式机器人的操控策略及系统创成奠定理论基础及提供可行性实施方案。