重载六足机器人的结构设计与步态规划

作     者：肖体熠 

作者单位：西华大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张均富

授予年度：2019年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：重载六足机器人 运动学 自由步态规划 时间差分算法 

摘      要：六足机器人是一种典型的足式机器人,其步态变换丰富、稳定性好、地形适应能力强、越障能力高,可广泛应用于农业生产、抢险救灾、星球探索、工地挖掘以及军事国防等,受到学术界的高度关注。论文针对复杂地形环境如农业生产、抢险救灾等领域,提出一种重载六足机器人的构型方案,在此基础上开展机器人本体结构设计、运动学分析、足端轨迹规划和自由步态规划等研究。论文的主要研究内容包括如下几个方面:1、重载六足机器人概念设计与机械本体结构设计。在文献查阅和调研的基础上,提出了重载六足机器人的结构构型。综合考虑机器人足端运动空间、行走速度、稳定性等开展了重载六足机器人机器人腿部结构参数优化,基于力分析和能耗分析对各关节液压缸铰链点位置进行了优化,并提出了一种减缓冲击的足端结构设计。在上述研究的基础上,完成了六足机器人运动设计和结构设计。2、重载六足机器人运动学建模与足端轨迹规划。采用D-H参数方法建立六足机器人单腿摆动相的运动学模型,并开展液压缸位移分析。以减小冲击和运动平稳为目的,提出一种有效减缓足地接触时所产生的冲击力的足端轨迹规划方法,使得各关节液压缸受力平稳无冲击、速度和加速度连续无突变。3、基于时间差分的六足机器人自由步态规划。针对足式机器人自由步态规划的复杂,提出将机器学习算法中的时间差分算法应用于六足机器人的自由步态规划。结合强化学习的基本原理,在机器人足端轨迹离散的基础上构建了机器人自由步态规划的马尔科夫决策过程,采用机器人平均稳定裕量构建回报函数,最后采用时间差分算法求解马尔可夫决策过程最优策略,基于所获得的最优策略实现机器人步态转换。研究提出了基于时间差分的六足机器人自由步态规划流程,并给出了数值仿真算例。研究表明,时间差分自由步态规划算法能够有效提高机器人的稳定裕量,使得机器人行走更加稳定、灵活并具备良好的地形适应能力。