【摘 要】
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轮腿式复合型移动机器人由于其特殊的结构,将轮式机器人和腿式机器人的优点相结合,具备了快速性和强地势适应性等特点,成为现在国内外研究的重点。虽然现阶段针对复合型移动机器人已经取得了一定的成果,但在实际的理论研究中还存在一些问题和难点,本文所研究的六腿滚动式奔跑机器人是一种典型的轮式腿型复合机器人,该机器人六条腿分两组均匀交错的分布在机身两侧,单腿交替支撑前进,可将其视作单腿跳机器人的异化形式,本文针
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轮腿式复合型移动机器人由于其特殊的结构,将轮式机器人和腿式机器人的优点相结合,具备了快速性和强地势适应性等特点,成为现在国内外研究的重点。虽然现阶段针对复合型移动机器人已经取得了一定的成果,但在实际的理论研究中还存在一些问题和难点,本文所研究的六腿滚动式奔跑机器人是一种典型的轮式腿型复合机器人,该机器人六条腿分两组均匀交错的分布在机身两侧,单腿交替支撑前进,可将其视作单腿跳机器人的异化形式,本文针对这种六腿机器人的动力学和控制问题开展研究。在机器人的动力学建模方面,基于经典的弹簧倒立摆和独轮机器人模型,将整个机器人系统解耦为俯仰和横滚两个运动方向,针对两个方向上的系统均采用拉格朗日法建立其动力学模型,根据机器人的运动特点对动力学模型进行了简化,最终得到两个方向上的标准动力学方程,为机器人的动力学分析奠定了基础。针对机器人的动力学分析问题,根据机器人的结构特点,在机器人的平衡点处分别对俯仰和横滚两个运动方向的动力学方程特殊线性化,根据状态空间方程判断了两个系统是不稳定的,两个系统是能控能观性的,并根据动力学方程分析了机器人轮腿重心和飞轮转动惯量对系统的影响,为后续机器人的鲁棒控制研究提供了理论基础。针对机器人的鲁棒控制问题,在系统的俯仰方向和横滚方向上分别设计了滑模鲁棒控制器和反步滑模控制器。其中,俯仰方向上采用了基于HJI理论的滑模鲁棒控制算法,该算法将系统外界干扰考虑在内,设计了满足HJI不等式鲁棒控制条件的滑模控制律,利用Lyapunov稳定性理论分析了系统的稳定性;横滚方向上在反步控制方法的基础上引入滑模项,设计了反步滑模控制器,从而保证了控制器的鲁棒性。使用MATLAB进行仿真验证,在给定干扰的情况下验证了两种控制算法在机器人俯仰和横滚方向上的鲁棒性,实现了机器人的稳定跟踪控制。在机器人的路径规划问题中,针对机器人路径多目标点距离最短问题,采用旅行商问题的思路寻求最短路径,引入遗传算法,增加了算法的鲁棒性,并对算法的步骤和重要参数进行了详细讨论,最后将算法在MATLAB上进行仿真验证,证明了使用遗传算法求解的轨迹是最优的参考轨迹,为移动机器人的路径规划提供了参考。
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