复杂扰动环境下四足仿生机器人动态运动规划和控制研究

不规则地形和外力扰动环境下，快速、稳定、灵活的移动能力是四足机器人走向实用所必备的基本能力，也是当前高性能四足仿生机器人研究的前沿。动态运动规划和控制则是其中最富挑战的科学问题。本课题针对现有运动规划和控制方法的不足，借鉴四足哺乳动物在不规则地形和外力扰动环境下动态行走时步态生成和平衡控制机制，采用基于模型的方法，理论分析-数字仿真-实验验证相结合，对四足机器人在高度不规则地形和复杂环境下的运动规划和控制问题展开深入研究，着重解决在不规则地形条件以及受到外力冲击扰动情况下，四足机器人的等效动力学建模、动态落脚点规划和瞬态柔顺协调步态生成、姿态稳定控制策略和脚力规划，以及克服扰动后的任务恢复策略等关键问题，构建抵抗外部扰动的实时智能控制结构，提高四足机器人在复杂环境中的通过能力，增强对复杂环境的鲁棒性和适应性，为高性能四足机器人的发展提供新理论、新方法和新技术，丰富和发展移动机器人学的内涵。

复杂扰动环境下快速、稳定移动能力是四足机器人走向实用的前提，也是当前高性能四足机器人研究前沿。四足机器人具有冗余驱动、多支链、时变拓扑的特点，在复杂环境下运动，支链间的多自由度耦合加剧，其运动控制从单纯的位置控制转变为运动-动力学控制，状态变量多，计算规模大，求解复杂。.针对上述科学问题，项目采用基于模型的方法，理论分析-数字仿真-实验验证相结合，取得以下创新性成果：.1）将传统的矢状面上的加载弹簧倒立摆（SLIP）模型拓展到三维情形，建立了适用于复杂扰动情况下动态平衡控制的3D-SLIP等效动力学模型，建立了多足机器人多支链-单支链-等效模型归约-扩展映射关系，从而能够完整地描述机器人在前进方向和侧向的运动与受力状态；.2）提出了统一着地角计算、姿态调整和能量补偿的三维空间混合反馈控制方法3D-HFC，建立了适用于复杂扰动环境的四足机器人智能控制结构。开展了3D-HFC方法的实验研究，实现了四足机器人在站立和原地踏步状态下遭受外力冲击扰动的稳定平衡控制，侧向冲击冲量最大可达120kgm/s；.3）考虑四足机器人在受到侧向冲击以及快速奔跑过程中前后腿的非对称动力学特性，将机身质心与髋关节位置分离，建立了非对称弹簧倒立摆模型，提出了基于虚约束控制的奔跑控制策略，实现了1.2m/s、Froude数1.0的高速奔跑，达到同重量高速奔跑机器人跳跃步态Froude数的国际最好水平；.4）针对足式机器人侧向冲击下稳定恢复及高速运动时足-地瞬时冲击问题，提出了基于力/位混合控制的机器人腿部变刚度主动柔顺控制方法。以液压驱动单元作为机器人关节执行器，进行了机器人腿部柔顺控制机电联合仿真与实验，验证了控制模型和力/位混合控制方法的有效性；.5）基于生物启发，在腿部机构中引入弹性元件实现运动动能和势能的储存和适时的释放，设计开发了一台液压驱动的中型仿生四足机器人和一台电驱动的小型四足机器人原型系统，开发了测试系统软硬件和仿真软件，对运动规划与控制方法进行验证和应用扩展，完成了抗冲击稳定控制实验和高速跑动实验。.发表论文13篇（其中SCI/EI 6篇），申请发明专利5项，培养博士4名，硕士15人。论文获得ROBIO2015最佳仿生论文提名奖，主要研究成果成为2015年度教育部自然科学二等奖项目的重要部分。研究成果已用于新型重载足式移动国防装备演示验证，提高了装备移动速度和复杂环境通过能力