崎岖地形电驱动大负重比六足机器人移动系统能耗特性研究

The electrically driven large-load-ratio multi-legged robot can be used widely because of the engineering application ability, but its practicality is hindered due to the low effective utilization rate of energy. To reduce the energy consumption of robot mobile system is one of the key factors in the aspect of accelerating its wide application. Based on the stress distribution of foot-ground mechanics, the mathematical model of power consumption is built for the mobile system of electrically driven large-load-ratio six-legged robot in this project. Then, the joint angle domains under the lower power consumption are obtained. The environment perception and gait planning of the electrically driven large-load-ratio multi-legged robot are respectively studied in the rugged terrain environments. The control strategy is analyzed, when the robot can independently select the fault tolerant way to decrease the power consumption of robot mobile system according to the terrain and load. Based on the virtual simulation and prototype experiment, the effect of the gait parameters on the power consumption of mobile robot system is analyzed. The correctness and feasibility are respectively verified for the joint angle domains under the lower power consumption, gait planning, and autonomic fault-tolerant control strategy. This project can provide the technical support to reduce the power consumption for the electrically driven large-load-ratio multi-legged robot.

具有工程应用能力的电驱动大负重比多足机器人有着广泛的应用空间，但因自身携带能量的有效利用率低而阻碍了其走向实用化，降低机器人移动系统能耗是加速其走向广泛应用化的关键之一。本项目拟基于机器人足地力学应力分布研究，构建电驱动大负重比六足机器人移动系统能耗数学模型，获取机器人移动系统低功耗关节转角域。针对崎岖地形电驱动六足机器人进行环境感知与步态规划研究，探讨六足机器人基于地形环境与携带负载以自主采取容错方式降低移动系统能耗的控制策略。采用虚拟仿真和样机实验双重手段，进行步态参数对机器人移动系统能耗的影响性分析；验证低功耗关节转角域、步态规划与自主容错控制策略的正确性和可行性，为降低电驱动大负重比多足机器人移动系统能耗提供技术支持。

具有工程应用能力的电驱动大负重比多足机器人有着广泛的应用空间，但因自身携带能量的有效利用率低而阻碍了其走向实用化，降低机器人移动系统能耗是加速其走向广泛应用化的关键之一。本项目严格按照研究计划执行，且均实现预期目标。通过分析六足机器人足地力学应力分布，构建圆盘形足的足地力学法向应力与剪切应力数学模型。基于机器人动力学分析，搭建电驱动大负重比六足机器人移动系统能耗数学模型，同时建立不等式和等式约束条件以实现机器人的稳定行进。通过解算电驱动大负重比六足机器人移动系统能耗数学模型，获取低功耗关节转角域，以及得出最有效降低机器人移动系统功耗的手段是优化支撑相位姿。基于六维力传感器、CAN采集卡和多目高保真摄录像机，实现机器人与外界环境的初步感知。针对电驱动大负重比六足机器人构型和步态进行分析与设计，获取机器人高稳定性的迈腿次序和典型行进方式，基于D-H法实施六足机器人的正/逆运动学分析，把单腿欲抬高度纳入到机器人步态规划，分别建立三足、四足和五足步态时支撑相腿与摆动相腿的足端轨迹规划数学模型。提出基于地形环境与携带负载情况的六足机器人自主容错策略，利用在线户外环境的地形特性自主选择预设的自主容错方案。采用虚拟仿真和样机实验双重手段，进行步态参数对机器人移动系统能耗的影响性分析，获得机器人移动系统平均功率消耗随根关节初设角、本体高度和步距变化时的趋势。通过样机步行试验，验证低功耗关节转角域、步态规划与自主容错控制策略的正确性和可行性，为降低电驱动大负重比多足机器人移动系统能耗提供技术支持。