多足步行机器人力/位置/姿态协同规划及其混合控制研究

Multi-legged walking robot is a complex electromechanical system which has multi-branched chains and motion mechanism of time-varying topology. It prones to instability, slipping and even fall in irregular terrain and by external shocks.The factors of the torques of actively controlled joints, the foot end position of variable topology mechanism and the body attitude adjustment during exercise have combined effects on the motion compliance and stability of system. Therefore,the hybrid force/position/attitude control under tough environment becomes an urgent problem to be solved. The key scientific issue is to reveal the variation of compliance with variational topology and to propose compliance control strategies based on hybrid force/position/attitude control. Around this scientific issue,the project adopts combined method of theoretical modeling-simulation-experimental verification to do the research, and its main content includes: the collaboration constraints and mathematical description method of the force, position and attitude of the robot, kinematic and dynamic modeling in motion space in irregular terrain, the in time compliant gait generation and control methods of variational topology, force/position/posture hybrid control simulation and experimental verification, etc.The project attempts to reveal the basic variation of compliance with variational topology for multi-legged walking robot system, establishes the force/position/posture hybrid dynamical model, and proposes a compliant gait generation and control method for multi-legged walking robot system in irregular terrain, which provide theoretical and technical basis for stable and compliant motion of multi-legged walking robot.

多足步行机器人是具有多支链、时变拓扑运动机构的复杂机电系统，在不规则地形以及受外力冲击扰动下易失稳、打滑甚至跌倒。系统的运动平顺性和稳定性受主动控制关节的出力、机构变拓扑下的足端位置以及运动过程中的机身姿态等因素的综合影响，必须解决其在复杂环境下的力/位置/姿态协同规划与控制问题，关键是揭示时变拓扑运动结构柔顺变化规律，并提出基于力/位置/姿态混合控制的柔顺控制策略。本项目围绕这一科学问题，采用理论建模-仿真分析-实验验证相结合的方法开展研究，主要内容包括：多足步行机器人力/位置/姿态协同约束及数学描述、复杂环境下的系统空间运动/动力学建模、实时变拓扑柔顺步态生成与控制策略、力/位置/姿态混合控制仿真与实验验证等。力图揭示多足步行机器人系统变拓扑柔顺变化规律，建立力/位置/姿态混合动力学模型，提出复杂环境下的系统柔顺步态生成与控制方法，为多足步行机器人平稳、柔顺运动提供理论和技术基础。

针对多足步行机器人在复杂环境下的运动平顺性和稳定性需求，围绕步行机器人柔顺平稳移动机理与复杂环境下足式机器人力、位置与姿态协同调控机制问题，开展动物运动调控机理与仿生映射方法、混杂系统动力学建模与稳定性分析、动力学等效规约与控制扩展、力/位置与姿态协同规划与控制策略、基于机器学习的高动态运动控制方法、步行机器人原型样机开发与实验测试等研究，取得以下主要成果：.1.通过对动物运动模型、弹性结构组织和运动行为进行仿生研究，揭示了复杂环境下动物谐振运动调控机制，提出了谐振运动的动物-步行机器人仿生映射方法，为复杂环境下的步行机器人运动控制与规划提供了有力借鉴；.2.针对具有时变拓扑运动结构的多足步行机器人本征动力学建模问题，提出了基于庞加莱映射的混杂系统动力学建模分析方法和基于横向动力学的多足步行机器人稳定性分析方法，为步行机器人步态特性分析和步态稳定性分析提供了模型基础；.3.将负载弹簧倒立摆（SLIP）模型扩展到三维情形，建立了适用于复杂扰动情况下动态平衡控制的步行机器人等效归约3D-SLIP动力学模型，提出了基于3D-SLIP的运动-能量混合反馈控制方法，提高了步行机器人动态运动稳定性；.4.借鉴动物谐振运动调控机制，突破了地面特性辨识、机器人腿部主动柔顺控制、腿部刚度规划等技术难点，实现了步行机器人谐振运动状态下的力、位置与姿态协同规划与控制；.5.基于改进的局部加权投影回归算法，实现了步行机器人高动态运动控制，实现了1.2m/s、Froude数1.0的高速Bound步态，达到同重量级高速奔跑机器人跳跃步态Froude数的国际最好水平；.6. 开发了多足步行机器人仿真实验平台，研发了80kg重量级的电液驱动四足机器人物理原型样机和1.1kg重量级的小型电驱动四足机器人物理原型样机，搭建了测试实验系统。.提出了适于复杂环境的系统柔顺步态生成与控制方法，为多足步行机器人平稳、柔顺运动提供了理论和技术基础。完成了项目任务书规定的各项考核指标，项目相关成果在多项国家重点国防项目中得到应用。