面向复杂环境的四足机器人自适应和快速稳定运动控制方法研究及应用

According to the requirements of the efficient and multi-mode movement ability, fast and stable movement control in complex and unstructured environment, stable locomotion control of dynamic model against external impact, this project puts forward the following innovative research points: (1) The methods of self-adjusting parameters of gait planning and stable switching among different locomotion patterns are proposed for improving the motion efficiency and stability of quadruped robot in complex environment, then, the robot simulator software Webots is used for verifying the feasibility and validity of the proposed methods. (2) For improving the robustness of stable locomotion control, the dynamic compensation method for parameter uncertainty of quadruped robot is presented. Based on the above research results, the electrically driven one leg of quadruped robot is constructed for verifying the feasibility and effectiveness of the research topic.

本项目针对当前四足机器人高效、多模式运动能力、复杂非结构环境下的快速稳定运动控制和外扰冲击下的动力学稳定运动控制需求，提出如下创新性研究思路：（1）提出四足机器人参数自适应可调的步态规划方法和不同运动模式的平稳切换方法，提高机器人在复杂环境下运动的稳定性和效率，然后利用机器人仿真软件，验证内容的可行性和有效性。（2）研究机器人基于参数不确定性动力学补偿方法，提高机器人控制的精确性，利用搭建的电驱动四足机器人单腿物理样机，验证所研究内容的可行性和有效性。

针对当前四足机器人高效、多模式运动能力、复杂非结构环境下的快速稳定运动控制和外扰冲击下的动力学稳定运动控制需求，项目团队开展了相关的研究工作，取得的主要研究成果如下：（1）为提高四足机器人对不同地形的适应能力，给出了间歇静步态向对角小跑步态切换的不同情况以及最优的（在保证稳定切换的前提下，实现速度的平滑变换和不同步态情况下的最短时间切换）切换方法，在步态切换过程中，为保证步态切换的平滑性，将两种步态的重心移动速度利用匀加速进行衔接。在步态切换的加速阶段，利用改进的泛稳定裕度判别法对稳定性进行判别，消除了机器人步态变换过程中由于加速度产生的惯性力对稳定性的影响。（2）为实现四足机器人在动步态下的稳定行走和抗扰动冲击能力，提出了融合全尺寸虚拟模型和动力学模型的四足机器人控制框架。在支撑相中，将躯干质心虚拟力与足底力分配问题转化成二次型优化问题，通过Gurobi库求最优值，实现实时的最优足底力分配；在摆动相中，融合动力学前馈和虚拟模型控制方法实现了平滑的轨迹追踪。（3）研究了机器人基于参数不确定性动力学补偿方法。（4）研究了四足机器人领航员识别和跟踪问题，为了提高机器人与环境的交互能力，基于建立的标记识别系统，设计了基于多线激光扫描仪与反光标志的领航员识别方法。自主跟随采用EA*算法，路径复现采用IEA*算法。仿真和实验结果说明了该算法的可行性和有效性。.项目团队共发表期刊论文5篇，其中EI收录1篇；发表EI收录会议论文5篇；申请发明专利4项，授权3项；出版了关于四足机器人的专著1部。