摘要
在当前社会经济快速发展与工业化水平不断提高背景下，传统的腿足式机器人与定基座机械臂独立作业已经无法满足现代化工业生产的需求以及特殊作业场景的需要。因此，将机械臂安装在腿足式机器人上，充分利用腿足式机器人运动的灵活性以及机械臂的可操作性在特殊场景下完成复杂任务，因此足臂机器人具有广泛的应用前景。本文以装载双臂的四足机器人为研究对象，对其进行运动学建模与分析，控制系统设计，单腿柔顺控制以及基于零空间的足臂协同作业研究，具体工作内容如下: (1)针对机器人腿部布局与运动学建模，采用了结构更为稳定的双肘式腿部布局;使用D-H法建立坐标系，推导出了运动学模型，并计算出了四条腿的工作空间。针对机械臂的布局与运动学建模，分析了双臂前后布局和左右布局两种布局方式的特点，采用了工作空间更大，重心分布更为均匀的前后交错布局方式;用D-H法建立坐标系，推导出了运动学模型，并计算出了双臂的工作空间。 (2)针对单腿主动柔顺控制，建立了液压缸模型，并进行了基于分段PID控制的双缸对顶实验;对单腿映射关系进行求解，推导出了缸长与关节角、缸上力与关节扭矩间的映射关系，并对单腿进行了动力学建模;设计了基于弹簧-阻尼虚拟模型的单腿主动柔顺控制方法，在只考虑重力补偿的情况下对关节扭矩进行控制，最后进行了单腿柔顺控制实验，分析了单腿平台的响应，验证了基于弹簧-阻尼模型的主动柔顺控制方法的可行性。 (3)针对四足双臂机器人足臂协同作业的需要，设计了分布式实时性控制系统的整体架构，搭建了基于CAN总线通讯的分布式控制系统，编写了主控制器的主程序和各类子程序，采用了多线程并行技术来实现多个任务的并行运行，保证系统的可靠性和实时性，并实现了 CAN通信发送接收数据时相应的数据封装以及数据解析;进行了机械臂伺服运动控制器的程序编写，对机械臂完成了关节伺服控制;同时为了方便对实验数据进行分析，分别设计了机器人腿部运动数据离线分析软件和机械臂运动数据离线分析软件;最后设计了传感器以及编码器的标定方法，保障了机器人的正常运作。 (4)针对足臂协作的多任务运动，介绍了基于零空间映射的多任务运动规划方法，并基于此方法进行了足臂协作多任务分析;设计了基于零空间映射的全身控制框架，将躯干运动映射到机械臂运动任务的零空间中进行控制;进行了足臂协同抓取多任务作业的仿真与分析，先对多任务进行了优先级划分，随后将躯干运动任务映射到机械臂运动任务的零空间中，优先保证机械臂运动任务的执行，并进行了虚拟样机仿真实验，验证了基于零空间映射的足臂协作控制框架的可行性。
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