偏心轮腿六足机器人控制策略研究

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多足机器人是移动机器人的一个重要分支,主要应用于多障碍物环境和非规整地形。多足机器人相对于轮式和履带式移动机器人具有强机动性和高可靠性,广泛应用于火星探测、火山口探测、灾难救援、军事侦察核电站检修等领域。多足机器人具有极其重要的研究价值和现实意义。多足机器人的研究主要有环境建模、环境感知与识别、定位与导航、路径规划、运动机构、控制系统等方面。本文主要内容是偏心轮腿六足机器人控制策略研究,包括偏心轮腿结构分析、六足机器人步态规划与静态稳定性分析、控制系统和基于改进人工势场的路径规划。本文详细内容如下:1、介绍了与步态相关的概念和参数,在分析六足昆虫的运动原理基础上,对六足昆虫的经典步态进行了分析;对偏心轮腿六足机器人机械结构进行了整体设计,着重分析了偏心轮腿在机器人行走时的着地点问题;针对偏心轮腿六足机器人,规划了其特有的三足直行步态,四足直行步态,三足转弯步态,并给出其进行各种步态的各腿相应的参数矩阵;进一步分析了偏心轮腿六足机器人的三足步态,四足步态的静态稳定性,证明了在满足机器人的约束条件下是静态稳定的。为偏心轮腿六足机器人行走的实现奠定一定的基础。2、通过对多种控制系统的对比分析,结合偏心轮腿六足机器人的应用场合,设计了一套以微控制器和通用计算机相结合的控制系统。该控制系统由总线控制模块、电机控制模块、电源模块、无线控制模块、无线视频传输模块和上位机控制模块六大模块组成。整个系统采用模块化设计方法,各个模块独立设计与测试,提高了系统的可靠性与稳定性。3、偏心轮腿六足机器人的路径规划方面,针对一种改进人工势场模型应用在移动机器人路径规划中的局部极值情形,采用修改斥力方向的方法对它进行改进。当障碍物处在机器人和目标位置的中间且陷入局部极值点时,采用修改斥力方向来让机器人避开局部最小值点,让机器人移动一定的步长再采用改进人工势场来规划路径。4、实验验证:在控制系统的实验验证中,首先各功能模块进行单独测试与验证,再将整个系统集成测试。实验证明了控制系统是可靠且稳定的。在步态实验验证中,分别进行了偏心轮腿六足机器人的三足步态直行、转弯、单双侧越障。实验证明了机器人设计是合理的,机器人的步态规划是正确的,机器人的静态稳定性确实能得到保障。在路径规化方面,通过仿真实验,验证了当机器人处于局部极值点时采用修改斥力的方法可以使机器人顺利避开障碍物,规划比较合理的路径,实验证明该方法是可行的。
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