基于柔性作业路径的步行机器人耦合动力学与步态规划研究

双足步行机器人具有腿部行走功能，能适应复杂的非结构化地形。但目前步行机器人动力学和运动规划是基于理想刚性地面假设，不能适应室外自然土壤等柔性作业环境。鉴于此，本项目在前期对轮式移动机器人与动态柔性路径耦合动力学研究的基础上，考虑松软土壤和混凝土地面的粘-弹-塑性，研究步行机器人和路径耦合动力学﹑运动规划和稳定性控制。通过真实路径动力学建模﹑机器人-路径间的刚-粘-弹-塑性耦合﹑路径规划与步态调整的数值分析和物理样机试验，重点研究地面反力和变形等耦合参数对机器人动态响应特性﹑质心轨迹和姿态稳定性的影响规律，探索面向柔性路径作业的步态规划策略。.本项目的研究内容，是步行机器人的应用基础理论。预期成果可克服运动规划时地面理想刚性假设的限制，提高步行稳定性和速度，通过改善关节驱动效率降低步行能耗。对提高步行机器人与真实环境特别是柔性环境的交互作业和环境适应能力具有理论与实际意义。

双足步行机器人具有腿部行走功能，能适应复杂的非结构化地形。但目前步行机器人动力学和运动规划是基于理想刚性地面假设，不能适应室外自然土壤等柔性作业环境。鉴于此，本项目研究自然环境下的双足步行机器人-路径耦合动力学﹑运动规划及稳定性控制。主要完成了以下四方面的研究。.（1）机器人-柔性地面耦合动力学建模与分析。首先，基于多刚体与柔性体碰撞理论，将机器人-地面等效为一个动力学链与一个集中参数的弹簧-阻尼系统耦合的模型，在一个步行周期内，用两个拉格朗日运动学方程表达；其次，在ANSYS中建立基于Pasternak地基模型的多层公路模型，并在ADAMS中研究了在静态稳定行走时，柔性地面对机器人步行性能的影响。研究表明：当机器人在柔性地面上静态步行时，相比于在纯刚性假设环境，步行距离更远，关节扭矩峰值较小。.（2）步态规划与控制。研究了基于ZMP稳定判据的离线步态规划，实现了基于预观控制的在线步态生成，提出了自适应偏航抑制策略；并针对不平地面提出了稳定控制方法，使ZMP最大跟踪误差降低了45%，不同材料地面上的偏航量降低了40%。另一方面，针对柔性地面，基于非线性系统周期稳定判据，提出了欠驱动步态的控制策略，实现了稳定步行。.（3）柔性关节与能耗优化。提出一种由伺服电机与柔性传动装置组成的柔性驱动器，分析了柔性驱动器的刚度对行走能耗的影响。研究表明采用柔性驱动器能够有效降低机器人行走能耗。.（4）原型样机研制与试验研究。搭建了一个10 DOF的全驱动双足步行机器人样机和一个4 DOF的平面欠驱动双足步行样机。.本项目的研究意义体现在：所建立的机器人-柔性地面耦合动力学模型克服了地面理想刚性假设的限制，针对机器人偏航、欠驱动步行，所提出的步态规划方法与控制策略，拓展了双足步行机器人的基础理论研究面，提高了步行稳定性，对提高步行机器人的环境适应能力具有重要意义。