摘要
相较于轮式和履带式机器人，腿足式机器人依靠与地面接触点不连续的特点，无论在平坦或者崎岖的地形中都能够自由移动。但与地面的接触点不连续的特点也导致腿足式机器人的运动稳定性较差。如何在复杂环境中保持腿足式机器人运动稳定性是目前腿足式机器人能否得到广泛应用所面临的问题之一。针对上述问题，本文对四足机器人行走稳定性控制方法进行了研究，设计了一种形状参数可变的分段摆线足端轨迹方程，并使用IMU(InertialMeasurementUnit)加速度计获取机器人机身俯仰角和横滚角作为衡量四足机器人运动稳定性的指标。在Webots动力学仿真环境中，对分段摆线轨迹在不同坡度的地形中对四足机器人运动稳定性的影响进行了研究，分析和测试。本文设计搭建了四足机器人样机，开展实验并分析了实验结果，验证在动力学仿真环境下得到的实验结论。为了进一步增强分段摆线轨迹对不同坡度地形下四足机器人的运动稳定性，使用强化学习对迈步长度，迈步高度等分段摆线轨迹的形状参数进行优化，对比测试使用优化参数和固定参数的足端轨迹对四足机器人运动稳定性的影响。本文的主要研究内容如下： （1）根据几何关系对四足机器人的并联腿进行正逆运动学分析和足端受力分析。对并联腿四足机器人的三维模型进行优化，在Webots仿真平台上搭建机器人动力学仿真模型，并根据三维模型搭建了四足机器人实验样机。 （2）基于摆线轨迹设计了一种能够在水平地面、上坡和下坡地形中提高四足机器人运动稳定性的分段摆线足端轨迹。在Webots仿真环境中模拟-10°~10°坡面地形，对摆线轨迹和分段摆线轨迹进行多组对比测试,使用Webots中的IMU传感器获得pitch和roll角作为机器人运动稳定性的评估指标。实验表明使用相同的形状参数，相较于摆线轨迹，改良后的分段摆线轨迹使四足机器人行走过程中pitch和roll角的变化幅度降低17%和27%，方差降低42.2%和43.3%。使用四足机器人实验样机在角度范围-8.7°~7.6°的坡面进行进一步验证，通过BNO080IMU传感器获取四足机器人行走的Pitch和roll角，通过电机电流估算足端力矩。实验结果表明相较于摆线轨迹，分段摆线轨迹在水平地面和下坡地形的pitch和roll角方差减小13.8%和43.5%，足端力矩的方差减小34.6%，上坡地形足端力矩的方差减小65.8%。不同坡面角度下，分段摆线轨迹对行走稳定性的影响差距较大。 （3）为了进一步提高分段摆线轨迹的四足机器人运动稳定性，使用强化学习得到不同地形坡面角度下的最佳分段摆线轨迹形状参数。根据分段摆线轨迹的形状参数，对强化学习控制器中的状态空间，动作空间和激励函数进行设计，搭建强化学习控制器。 （4）使用强化学习控制器，在Webots仿真环境中通过DDPG深度强化学习算法，学习不同坡面角度对应的分段摆线轨迹的最佳形状参数。对使用最佳形状参数和固定形状参数的分段摆线轨迹在不同坡面角度下进行对比实验，实验结果表明，相较于固定形状参数的分段摆线轨迹，使用最佳形状参数的分段摆线轨迹后，四足机器人在水平地面行走过程的pitch和roll角方差减少98.1%和81.2%，下坡地面的pitch和roll角方差减少97.3%和58.5%，上坡地形的pitch和roll角方差减少16.6%和22%。
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