非结构环境下仿生六足机器人感知信息处理机制与运动策略研究

依据仿生学理论，借鉴昆虫及其它节肢动物门动物的肢体结构及运动控制策略，开发虫型六足机器人平台来进行结构、运动、感知及控制仿生，成为机器人技术的重要研究方向。本课题的研究目标，是以节肢动物为仿生原形，综合运用节肢动物学、神经生物学、并联机器人机构学、多轴协调控制理论、生物学控制论、多传感器信息融合等理论，研究 具有结构小巧、控制简易、复杂地形适应性好、容错能力强、活动范围广、能量效率高等特点，适合承担行星探测、侦察探险、滩涂登陆作战、灾区搜救以及极限环境作业等任务的小型六足仿生机器人。本课题中六足机器人的特点是：通过对六足动物步行机理的研究，依据仿生学的方法将其映射到六足机器人步行控制中，因此具备自主调节能力的全方位步态生成能力；基于生物感知仿生原理的六足机器人传感系统和多传感器信息融合机制构建，可以更紧密的实现六足机器人和环境的交互；实时控制方法结合感知信息提高机器人复杂环境的适应能力。

研制了小型化的六足机器人HITCR。设计了集成化的躯干系统、均一化的腿部系统以及模块化的关节系统；设计了具有良好运动稳定性和灵活度的机体结构；设计了四级、分布式的控制系统，以及能够感知环境和自身状态的传感器系统，与通信系统、供电系统共同构成了电气系统。 . 实现了六足机器人的全方位运动。通过对单腿串联结构和多腿并联结构的运动学分析，得到了正、逆运动学解算公式；基于轨迹分层策略，规划了具有地形自适应性能的足端轨迹，并且采用高次多项式描述了具有良好动态特性的轨迹模型。建立了协调腿间运动的局部规则，实现了具有自主调节特性的自由步态。最后，实验验证了机器人HITCR的全方位运动能力。. 通过基于足端三维力传感器的腿部力控制研究，提高了腿部运动状态转换过程中步行的稳定性。研制了集成于胫节的足端三维力传感器。通过对足端力传感器测量空间的变换，实现了机器人在任意姿态下不同工作空间足端力的测量。并且，通过基于事件的腿部状态控制器的设计，提高了腿部运动状态转换过程中步行的稳定性。设计了具有地形刚度自主调整以及目标阻尼自适应调节的、基于阻抗模型的腿部柔顺力控制器，减小了腿部状态过渡过程的碰撞冲击、实现了足端力的稳定跟踪。最后，通过在崎岖地形的单腿交互实验，验证了以上理论的有效性。. 采用基于足端力和位置感知的地形自主识别策略，实现了轻度崎岖地形的平稳步行，以及广泛适应重度崎岖地形的稳定步行。规划了六足机器人的初始位姿，提供了具有良好运动和动力性能的位姿基准。基于分层标识的足端轨迹设计了LIT策略，实现了机器人对地形崎岖程度的自主识别。设计了基于VSDM模型的双环积分滑膜控制器，使位姿控制具有良好的鲁棒性。通过位姿保持和策调整策略分别实现了轻度崎岖地形和重度崎岖地形步行的平稳性和适应性，并且通过设计基于足力分配的重心位置调整方法进一步提高了步行的稳定性。最后，通过过渡地形步行实验验证了六足机器人HIRCR位姿控制的有效性。. 搭建基于机器人HITCR的步行实验平台。通过不同步态和运动模式的比较，验证了机器人在各典型步态模式下均可以实现稳定的步行，并且验证机器人狭小空间的穿越能力；通过爬坡实验验证了机器人斜坡地形的步行能力，及基于足端力的重心位置控制方法进一步提高了步行的稳定性。最后，通过过渡地形步行实验验证了六足机器人HIRCR位姿控制的有效性。