【摘要】：双足步行机器人具有机动性高、环境适应能力以及在离散介质上运动能力强等优点,仍然是国外外机器人领域的研究热点之一。传统的主动式双足步行机器人似乎具有很强的步行能力,并且自由度数多、结构复杂、控制困难;而被动式或半被动式双足机器人即使自由度数少,并且步行能力弱。针对上述不足,本文设计开发了一种六自由度双足步行机器人系统Bibot-U6,并围绕该新型系统从构象设计、稳定性剖析和步态规划三个方面进行了系统深入的研究。主要内容如下:(1)提出和实现了六自由度双足主动步行机器人Bibot-U6的建立,并分别采用指数积技巧和Featherstone方式对Bibot-U6进行了运动学和动力学建模。(2)对磨擦约束下的步行稳定性进行了研究。传统的步行机器人在低速步行时只需考虑ZMP指标,即保证步行过程中机器人不会倾倒。但当支撑脚与地面之间的磨擦力较小或机器人高速步行以及拐弯等情况下必须考虑步行过程中可能出现的支撑脚与地面之间的滑移或滑转。因为Bibot-U6步态的特殊性,不仅可能发生倾倒,滑转情况也可能出现。因此,本文首先剖析了步行过程中方形脚和圆形脚与地面之间的接触情况,提出了接触模型,并基于该模型讨论了ZMP、摩擦力约束以及三者之间的关系,提出了新的稳定性判据。该判据可以有效判定步行过程中机器人是否会倾倒和滑转。(3)依据Bibot-U6系统的特性,在新的稳定性判据的基础上,提出和实现了水平地面上扭转、横移、翻转三种步态以及轮足混和运动形式。其中为了解决高速扭转形成的滑转问题,本文提出了垂直扭力补偿的方式。最后通过仿真和实验验证了平地步态规划算法的有效性和可靠性。(4)将平地上基本步态推广和扩充到斜面和阶梯上,通过降低脚与地面之间的虚拟被动自由度实现了Bibot-U6机器人斜面步行和上下阶梯。对于斜面步行,提出了一种基于力传感和编码器的斜面夹角测定方式,并通过栖身控制实现了平地和斜面之间的过渡。对于上下阶梯,提出了上阶梯步态、翻越阶梯步态和下阶梯步态的运动规划。最后通过实验对这种规划方式进行了验证。据悉,对Bibot-U6机器人的步行能力进行了剖析,并给出了结构参数对步行稳定性的影响,这对双足步行机器人的设计具有指导和参考作用。
