高负载四足机器人的步态规划与控制.docVIP

  高负载四足机器人的步态规划与控制# 胡楠，黄丹** （上海交通大学自动化系） 5 10 15 20 摘要：本文针对高负荷的四足机器人设计了位置控制器，实现了机器人在平坦地面上的稳定 行走。本文使用的四足机器人为自主研发，该机器人设计有特殊的驱动系统和创新性的并联 式腿结构，实现了机器人的高负载能力。本文利用 Bezier 曲线为机器人设计了足迹运动轨 迹，提高了机器人的稳定性。仿真结果和实验验证了本文所设计控制器的有效性。 关键词：控制理论与控制工程；四足机器人；步态规划；平坦地面；轨迹规划 中图分类号：TP24 Gait Planning and Control of Quadruped Robot with High Payload HU Nan, HUANG Dan (Department of Automation, Shanghai Jiao Tong University) Abstract: IThe paper proposes a position controller for a quadruped robot with high payload. The robot we use in this paper is developed by our lab, the high payload capacity is realized by the specific design of its actuation system, integrating novel high precision actuators, and by its legs, composed by a new family of parallel mechanisms. The foot trajectory is scheduled based on the Bezier curve in order to improve the stability of quadruped robot. The performance and efficiency of the proposed methods are verified by simulation and experiments. Key words: Control theory and applications; quadruped robot; gait planning; even terrain; trajectory planning 25  0  引言 目前，我国火电发电占总发电量的 80%左右，而火电发电主要依靠燃烧传统的煤炭实 现。但是由于煤炭是不可再生资源，而且燃烧煤炭会给环境带来很大的污染，所以我国亟需 利用清洁能源进行发电。其中核电是高能量密度的能源；输出功率稳定高效，是比较清洁、 30 35 40 低碳、环境友好的能源，因此我国目前在大力加快核电站建设。 核电虽然有如此多的优点，但也不可避免的带来一些隐患。2011 年的福岛核事故给人 们敲响了警钟。一旦发生核事故，需要救援人员进入事故现场处理核燃料，以免发生二次事 故，但是由于核燃料的高放射性，即使人们身着抗辐射材料，也只能在事故现场停留不到一 分钟，极大的限制了救援任务。因此，考虑用机器人进行救援成了不二之选。由于四足机器 人相较双足机器人具有更大的载荷，清理灾害现场有很大的优势，所以一般选用四足机器人 作为救灾机器人。 当前有许多关于四足机器人的研究，各国研究人员开发了各式各样的四足机器人。其中 知名度较高的有 BigDog[1], LittleDog[2], HyQ[3]. 针对这些机器人，研究人员开发了许多控 制算法， 比如文献[4，5]就是利用 LittleDog 开发了控制算法，实现了其在不同环境中的各 种步态控制。根据救灾的要求，我们自主开发了高负载的四足机器人。 本文针对开发的四足机器人设计了位置控制器，利用 Bezier 曲线为机器人设计了足尖 基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金(Z1025409) 作者简介：胡楠（1986-），男，博士研究生，主要研究方向：机器人学 通信联系人：黄丹（1980-），男，副研究员，主要研究方向：网络控制系统. huangdan@sjtu.edu.cn -1- 运动轨迹。最后的仿真和实验证明了本文所设计控制器的有效性。   1  机器人系统描述 考虑到我们的实际任务是核电站救灾，因此我们的机器人对高负载能力有很高的要求。 45 50 55 60 65 70 75 我们开发的机器人平台如下图 1 所示. 图 1 四足机器人平台 机器人的长为 1.2 米，宽为 0.5 米。当机器人的腿伸长到最长时，高约为 1 米