圆周对称六足机器人稳定性检测与单腿运动控制课件

1、圆周对称六足机器人稳定性检测和并联腿运动控制一、 课题背景及研究内容二、 并联腿运动学分析三、 圆周对称六足机器人稳定性检测四、 六足机器人单腿运动控制五、实验验证六、总结提纲课题来源973课题“救灾机器人主从控制与自律协同”（2013CB035504）研究对象六足 并联腿式 机器人 六 足机 器 人 矩形对称六足机器人腿部结构应用于机器人较早，结构简单20世纪90年代用在机器人上；刚度大，运动惯性小一、课题背景及研究内容圆周对称六足机器人串联结构腿并联结构腿结构组成：1）机身 2）并联腿 3）球形足端 特点圆周对称结构，全向运动，避免复杂的转弯步态；六条腿，相邻两条转化为操作臂；并联腿，承载

2、能力强，刚度高，运动惯性小球形橡胶足端，较好地面适应能力一、课题背景及研究内容研究对象研究内容1）稳定性检测方法稳定性定义：2）并联腿运动控制稳定性检测意义： 1）不同路况；2）搬运等作业要求；3）干扰冲击等失去稳定性*运动的发生倾覆的难易程度-倾翻稳定性单腿运动控制意义：行走、操作等基础运动的精确性运动的平稳性运动控制要求一、课题背景及研究内容实现轨迹调整的保障研究思路并联腿运动学分析动态稳定性检测并联腿运动控制实验验证一、课题背景及研究内容稳定性检测保证运动精确性与平稳性得到关节轨迹保证轨迹可达二、圆周对称六足机器人动态稳定性检测引言2.1 动态稳定性检测的选取2.3 力角稳定裕度检测方法

3、的改进2.2 力角稳定裕度检测方法介绍2.4 改进的力角稳定裕度检测方法仿真二、圆周对称六足机器人动态稳定性检测2.1 动态稳定性检测方法的选取动态稳定性检测方法分类基于能量的方法基于零力矩点(ZMP)的方法基于力矩的方法基于力角的方法稳定性检测方法选取要求根据机器人的应用要求和机构特点选择多足机器人不平路面行走重心高度能够变化受操作力/力矩影响适用于不平路面对高度变化灵敏反映操作力/力矩的影响实用力角稳定裕度稳定性检测方法实际倾翻合力 与 的夹角； 相邻落足点构成的倾翻轴矢量； 二、圆周对称六足机器人动态稳定性检测2.2 力角稳定裕度检测方法介绍力角稳定裕度 对倾翻轴的有效力分量 对倾翻轴的

4、力等效分量归一化最小稳定角与重心合力大小的之积倾翻轴稳定角简化力角稳定性算法-提高计算效率 二、圆周对称六足机器人动态稳定性检测2.2 改进的力角稳定裕度检测方法改进方面考虑绕足端接触点倾翻的情形-全面考虑倾翻情况1）算法简化原因各个稳定角最小力角稳定裕度值依据稳定性结论的同一性。利用与ZMP检测方法结论的一致ZMP靠近 的落足点A：足端力垂直力分量只计算 所在 的稳定角 二、圆周对称六足机器人动态稳定性检测2.2 改进的力角稳定裕度检测方法1）算法简化 注： 最大 Fiz 所在的两个倾翻轴的稳定角 简化后表达式仿真验证二、圆周对称六足机器人动态稳定性检测2.2 改进的力角稳定裕度检测方法2）

5、考虑绕足端接触点倾翻的情形原因提出者的未考虑圆周对称六足机器人存在该情况计算方法达朗贝尔定律计算倾翻合力 和力矩 对接触点有效力分量 对接触点的等效力效果实际倾翻合力落足点稳定角综合考虑上述两个方面的改进：二、圆周对称六足机器人动态稳定性检测2.3 基于IFASM的动态稳定性检测仿真1）抬升不同的重物2）不同坡面运动，包括：上坡运动、下坡运动、坡面横向运动3）遭受水平冲击，包括：静止时水平冲击，行走时水平冲击目的：仿真场景验证改进的FASM检测方法有效性，同时获得机器人在不同环境下的动态稳定性变化规律二、圆周对称六足机器人动态稳定性检测2.3 基于IFASM的动态稳定性检测仿真仿真结果改进的F

6、ASM方法能够反应操作力/力矩，坡面斜度，以及外界冲击作用等方面的影响，能检测绕足点倾翻的稳定性。结论三、六足机器人并联腿运动学分析3.4 运动学模型仿真验证引言3.1 2-UPS+UP并联腿介绍意义3.2 并联腿与整体自由度分析3.3 并联腿运动学模型建立思路3.5 并联腿工作空间计算轨迹规划前提，运动控制基础三、六足机器人并联腿运动学分析3.1 2-UPS+UP并联腿介绍U：虎克铰副 P：移动副 S：球铰副定平台-机身斜板；动平台-足端2条UPS支链 1条UP支链摆动： 2条UPS链运动 抬升： UP链运动 并联腿刚度大，运动惯性小三、六足机器人并联腿运动学分析3.2 并联腿与整体自由度分

7、析自由度分析理论依据： 修正的库茨巴赫-克鲁伯(Kutzbach-Grbler)公式单腿自由度不同支撑状态下整体自由度确定驱动关节数量腿部运动灵活性意义：躯体灵活性支撑腿数量与自由度关系意义：三、六足机器人并联腿运动学分析3.2 并联腿与整体自由度分析结论：3个驱动关节，移动副作为驱动副合理能实现空间运动1）单腿自由度2）不同支撑状态下整体自由度结论：1）整体自由度与支持腿数量无关； 2）躯体具有较好的机动性m=6m=5m=4m=3三、六足机器人并联腿运动学分析3.3 并联腿运动学模型建立1）单腿自由度位置逆解位置正解速度雅克比矩阵采用方法： 末端位置 驱动关节输出位置目的：单腿运动控制奠定基

8、础 坐标空间变换 矢量法驱动关节位置 末端位置驱动关节速度 末端速度 三、六足机器人并联腿运动学分析3.3 并联腿运动学模型建立1）单腿自由度1）位置逆解2）位置正解3）速度雅克比矩阵三、六足机器人并联腿运动学分析3.4 运动学模型仿真验证1）单腿自由度目的：方法：利用matlab数值计算和ADAMS模型对比验证验证建立的位置逆解和速度雅克比矩阵的有效、可行三、六足机器人并联腿运动学分析3.4 运动学模型仿真验证1）单腿自由度仿真结果对比结论：建立的位置逆解和速度雅克比矩阵有效，可行MATALAB结果ADAMS结果位置逆解结果速度映射结果三、六足机器人并联腿运动学分析3.5 并联腿工作空间计算

9、1）单腿自由度目的方法结论：单腿运动空间总体呈锥体，空间内部具有较好的连续性X：530mm860mmy：-600mm600mmZ：-600mm600mm确保规划的轨迹在有效工作空间内球坐标搜索法关节副约束条件逆运动学四、并联结构腿运动控制1）单腿自由度4.4 并联腿运动控制仿真引言4.1 运动控制策略提出意义4.2 内环位置控制器设计4.3 外环位置型阻抗控制器设计思路保证腿部运动、满足精确性和平稳性要求四、并联结构腿运动控制1）单腿自由度4.1 运动控制策略提出腿部运动控制要求平稳性较好的轨迹跟踪柔顺性精确性基于SMC-NPID位置控制的阻抗控制策略外环： 基于位置的阻抗控制器内环： 基于滑

10、模非线性PID的位置控制器滑模+非线性PID 串级设计的控制策略结构四、并联结构腿运动控制4.1 运动控制策略提出基于SMC-NPID位置控制的阻抗控制策略大外环大内环四、并联结构腿运动控制4.2 内环位置控制器设计动力学模型复杂提高位置运动精度，为阻抗控制提供位置控制基础末端无法安装传感器采用基于关节空间的控制方法有编码器总体上耦合性不太强PID控制器位置速度串级控制常见基于关节空间的控制方法结构简单，但误差线性组合不一定最后可以进一步考虑利用运动关节的期望速度信息内环控制器作用控制对象特点四、并联结构腿运动控制4.2 内环位置控制器设计基于SMC-NPID的位置控制器设计内环NPID控制率

11、设计外环滑模控制律设计外环滑模函数鲁棒性好，结构简单结构简单，不基于模型，具有PID的特点输出输出四、并联结构腿运动控制4.2 内环位置控制器设计位置控制器鲁棒性对比验证目的PID控制器、位置速度串级控制器、基于SMC-NPID的位置控制器 三者对比方法干扰力矩：基于SMC-NPID的位置控制器对外界干扰具有较强的鲁棒性结论结果四、并联结构腿运动控制4.3 外环位置型阻抗控制器设计基于位置的阻抗控制器设计控制原理基于力的阻抗控制基于位置的阻抗控制1）需要动力学模型，算法复杂2）稳定性偏弱3）需要有传感器能实时检测出足端位置1）位置控制理论更为成熟2）适合现有传感器与结构方法选取理由四、并联结构

12、腿运动控制4.4 并联腿运动控制仿真目的验证设计的基于SMC-NPID位置控制的阻抗控制器的对保证运动精度和运动平稳的有效性采用ADAMS与MATLAB联合仿真给定末端轨迹方法和设置步骤2）阻抗控制仿真1）轨迹跟踪仿真运动过程的精确性验证运动过程的平稳性验证四、并联结构腿运动控制4.4 并联腿运动控制仿真仿真结果运动关节误差串级控制末端误差PIDSMC-NPID位置控制器结论设计的控制策略有效具有较好的轨迹跟踪性能满足运动的精确性要求1）轨迹跟踪仿真四、并联结构腿运动控制4.4 并联腿运动控制仿真仿真结果结论2）阻抗控制仿真机器人足端接触，腿前部设置12mm薄板设计的控制器能够保证腿部运动的柔

13、顺，实现平稳运动Z方向期望力 200N五、实验验证1）单腿自由度5.3.1 轨迹跟踪实验引言5.1 实验平台介绍目的5.2 行走过程稳定性检测5.3 单腿运动控制实验思路验证改进的FASM检测方法及提出的控制策略5.3.1 轨迹跟踪实验五、实验验证机械本体硬件系统软件系统5.1 实验平台介绍五、实验验证实验结论：行走过程中的稳定性检测方法有效。5.2 行走稳定性检测实验行走过程：三足支撑-六足支撑-另外三足支撑五、实验验证行走过程：三足支撑-六足支撑-另外三足支撑1） 轨迹跟踪实验5.3 单腿运动控制实验结论： 基于SMC-PID的位置控制器能够有效实现轨迹跟踪验证控制策略的轨迹跟踪能力目的实

14、验结果五、实验验证2）阻抗控制实验5.3 单腿运动控制实验结论： 设计的控制器能够进行较好的力跟踪，保证运动的平稳验证控制策略的力跟踪能力目的实验结果实验设置Z方向 Fd=300N薄板厚度 10mm六、总结与展望总结（2）对并联腿运动学进行了分析通过仿真验证了逆位置求解的有效性和合理性。（1）针对圆周对称六足机器人稳定性检测问题，选用力角稳定性检测方法作为动态稳定性评估方法，并在该方法的基础上进行了两面改进，通过仿真和实验验证了方法的有效性。（3）针对并联腿运动中精确性和平稳性要求，设计了基于SMC-NPID位置控制的阻抗控制器。通过仿真和实验验证了控制器的有效性。展望控制器参数自整定；机器人多腿协调运动 与 重合；3.2 力角稳定裕度检测方法介绍平面例子：重心到落足点的矢量： 与 的夹角-稳定角 在 围成锥体内部； 在 围成锥体外部；最小稳定角机器人重心处合力，不包括地面作用力力角稳定裕度取值状态取值状态取值状态稳定临近稳定不稳定三、圆周对称六足机器人动态稳定性检测CONTENT一、课题背景及研究内 容二、并联腿运动学分析三、圆周对称六足机器 人稳定性检测四、 六足机器人单腿运动控制五、总