复杂环境下基于wcpg的四足机器人运动控制仿真研究

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1、分类号学号M201270454学校代码10487密级硕士学位论文复杂环境下基于WCPG的四足机器人运动控制仿真研究学位申请人：施宏阳学科专业：机械电子工程指导教师：陈学东教授罗欣教授答辩日期：2015年5月13日AThesisSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringSimulationResearchonWCPG-basedMotionControlofQuadrupedRobotsinComplexEnvironmentCandidate：ShiHongyangMa

2、jor：MechatronicEngineeringProf.ChenXuedongSupervisor：Prof.LuoXinHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan,Hubei430074,P.R.ChinaMay,2015独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月

3、日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日华中科技大学硕士学位论文摘要四足机器人在军事、运输、危险环境作业等方面具有巨大的应用潜力和前景，然而，实验室平地环境下的四足机器人运动控制研究并不能满足这些应

4、用需求，四足机器人研究迫切需要从平地扩展到不平整地形以及有外界冲击的复杂环境下。本文从仿生学入手，根据动物节律运动的产生机理，设计了可用于沟壑、台阶、坡面等不平整地形以及受到外界侧向冲击扰动的复杂环境下的，基于工作空间中枢模式发生器（WorkspaceCentralPatternGenerator,WCPG）的步态生成与运动控制方法。本文分析了四足动物的步态描述方法和几种典型步态，通过对动物节律运动发生机制的探讨，引出了基于CPG（中枢模式发生器）的步态生成方法理论。通过分析该理论的优缺点，选用了一种基于WCPG振荡器的步态生成方法，运用WCPG生成了包含摆动相与支撑相的连续足端轨迹

5、，构造了四足机器人的WCPG网络，通过给WCPG网络赋予不同的步态矩阵，生成了四足机器人的四种典型步态。在完成平地上的步态生成算法后，还需要考虑四足机器人在复杂地形下的稳定运动控制方法。在复杂环境下，四足机器人需要通过接触开关或足力传感器等检测装置反馈以及有效的控制算法来保持其在复杂环境下仍能稳定运动。本文基于动物的反射机制，分析了四足动物在沟壑、台阶、坡面以及外界侧向冲击下运动的反射机制，通过借鉴动物在不同刺激下的反射机制及其神经中枢系统，为四足机器人在几种复杂环境下的运动控制分别规划了反射模型，并设计了四足机器人在沟壑、台阶、坡面以及外界侧向冲击复杂环境下协调各腿运动、调整机身姿

6、态的策略和算法。为验证上述步态生成和运动控制方法的可行性，本文利用ADAMS与Simulink联合仿真平台构建了四足机器人仿真模型，利用设计好的步态生成算法和复杂环境下的反射机制，实现了四足机器人仿真模型在平地上的行走、对角小跑，以及在运动过程中遇到沟壑、台阶及受到侧向冲击等复杂环境时的快速调整和稳定恢复。仿真结果符合期望的稳定运动特性，表明基于WCPG的步态生成方法和外界扰动下的反射调节策略对四足机器人的稳定运动具有良好的控制效果。关键词：四足机器人；复杂环境；运动控制；WCPG（工作空间中枢模式发生器）I华中科技大学硕士学位论文AbstractQuadrupedrobotshav

7、egreatpotentialsinmilitary,transportationandoperationindangerousconditions,however,theseapplicationdemandscouldn’tbemetbythemotioncontrolresearchofquadrupedrobotsonflatgroundinlabs.Thereisapressingneedforthemotioncontrolofquadrupe