摘要
同轮式机器人相比较，四足机器人拥有高负载能力和更好的地形适应能力，其应用领域越来越广泛，为使四足机器人平稳地行走于不平坦的地形中，轨迹规划和运动控制是关键的两个环节。轨迹规划主要是对机器人足端轨迹进行合理规划，使机器人在运动过程中提高自身效率的同时，有效的减少能耗与损耗；运动控制主要是利用控制算法，对机器人的姿态进行调节，使机器人的运动更加稳定和自主。为探求四足机器人更加有效的轨迹规划与运动控制方法，本文以全肘式电动四足机器人为研究模型，开展了以下工作： (1)分析四足机器人的腿部构型特点；以全肘式结构为例，用D-H法求解四足机器人的正逆向运动学；对机器人的身体姿态和腿部关系进行分析，利用欧拉法对机器人的机身姿态进行求解，结合运动学，实现机器人机身姿态的控制。 (2)研究了四足机器人运动中的步态时序，以及四足机器人步态划分依据，对其他足端轨迹规划方法的优缺点进行总结，得出足端轨迹规划中的约束方程；在5次Bezier曲线的基础上设计足端轨迹，并采用“3-5-3”式Bezier曲线进行拼接优化并验证其有效性。 (3)机器人在行走过程中，由于外界干扰，会出现足端打滑、后腿拖地等问题。靠纯运动学进行位置控制与轨迹优化，效果并不理想。研究中在四足机器人的腿部以髋关节为基坐标，基于虚功原理，建立腿部虚拟模型控制，把机体姿态变换的命令转变为各腿部关节的底层力矩控制；针对运动中航向控制问题，当机器人处于支撑相时，在髋关节处添加侧向虚拟力，转化为机器人转向所需的关节力矩，从而实现机器人的稳定行走与航向控制。 (4)在特定的场合工作时，四足机器人需要能够按照给定的路径轨迹去运动并避开障碍物。本研究建立四足机器人平面运动学方程，依据运动学方程以及参考路径的信息，建立误差状态方程。结合LQR算法实现四足机器人的轨迹跟踪控制，并引入SSA算法对跟踪算法进行优化，通过对直线轨迹，避障轨迹的跟踪，在偏航角度、角速度以及质心误差三方面仿真对比，证明了该算法的有效性。 本研究通过对四足机器人足端轨迹进行规划与优化实现了四足机器人行走运动；基于虚拟模型控制和虚功原理，使四足机器人能够更加稳定的完成行走运动；之后引入轨迹跟踪算法，使机器人最终能够依照轨迹实现自主运动。
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