基于CPG的四足仿生机器人复杂地形下运动控制研究

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传统的基于动力学建模的足式机器人运动控制方法非常复杂,不利于机器人实现快速稳定的运动,难以实现对未知非结构化环境的适应性。本论文以四足仿生机器人为研究对象,通过对脊椎动物节律运动控制机理的模拟,实现了快速稳定的行走;通过生物反射建模,实现了沟壑、台阶等复杂地形条件下的运动功能。论文完成的工作如下:搭建了一个完整的四足机器人运动实验平台,包括四足机器人样机、主从式运动控制系统(硬件系统、软件程序)、人机交互界面;使用正弦函数建立中枢模式发生器(CPG)模型,作为四足机器人轨迹规划器,用于控制四足机器人的基本节律步态,实现了四足机器人平地行走,并采用配重法与姿态调整法,解决了运动过程中的后腿拖地问题;针对沟壑、非结构化台阶两种复杂地形,模仿动物的反射运动,建立了踏空跨步反射和踏空调整反射模型,通过检测机器人足端的触地信息与躯干的俯仰角突变信息,触发反射,通过四条腿协调运动,快速调整机器人姿态,抵抗惯性力造成的瞬时失稳,实现了四足机器人对未知沟壑、台阶地形的适应性。实验结果显示:机器人平地最高速度可达0.2m/s,合每秒1/2个身长,可以跨越1.2倍跨距的沟壑,走下0.4倍腿长的台阶,验证了控制方法与模型的有效性。
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