基于触觉力反馈的六足机器人双向操控技术研究

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1、工学博士学位论文基于触觉力反馈的六足机器人双向操控技术研究李佳钰哈尔滨理工大学2018年6月国内图书分类号：TP242工学博士学位论文基于触觉力反馈的六足机器人双向操控技术研究博士研究生：李佳钰导师：尤波教授申请学位级别：工学博士学科、专业：机械电子工程所在单位：机械动力工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨理工大学ClassifiedIndex：TP242DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringResearchonBilateralOperatio

2、nofHexapodRobotBasedonHapticForceFeedbackCandidate：LiJiayuSupervisor：YouBoAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpecialty：MechanicalandElectronicEngineeringAffiliation：SchoolofMechanicalEngineeringDateofOralExamination：June,2018University：HarbinUniversi

3、tyofScienceandTechnology哈尔滨理工大学博士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交博士学位论文《基于触觉力反馈的六足机器人双向操控技术研究》，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读博士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名：日期：2018年6月20日哈尔滨理工大学博士学位论文使用授权书《基于触觉力反馈的六足机器人双向

4、操控技术研究》系本人在哈尔滨理工大学攻读博士学位期间在导师指导下完成的博士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于保密，在年解密后适用授权书。不保密√。(请在以上相应方框内打√)作者签名：日期：2018年6月20日导师签名：日期：2018

5、年6月20日基于触觉力反馈的六足机器人双向操控技术研究摘要六足机器人由于其自身高承载状态下的稳定性能以及应对极限环境时的运动能力，相较于其他类型的移动机器人，其在灾害救援、工程勘探以及野外运输等领域内具有更广阔的应用前景，由此也吸引了诸多专家学者的广泛关注。目前，摆在研究人员面前的关键问题在于，现阶段针对六足机器人所开发的自主控制算法还无法保证其在复杂多变的真实场景中自如行走。另一方面，若完全交由操作者对机器人本体内每一个自由度进行单独操控的话，无形中又会增加操作者的操控负担，起到适得其反的效果。通过分析现有技术

6、手段，面向多种工况条件对于六足机器人可控性以及适应性的实际需求，开发具有一定自主能力的人在环协同操控系统可被视为是解决这一问题的有效手段。本文首先考虑在平坦地形下如何实现六足机器人稳定、高效的双向操控。针对六足机器人原理样机进行本体构型分析，考虑主从端工作空间的不匹配问题，提出半自主控制策略并确定主端位置-从端速度的映射方案。规划六足机器人底层运动控制算法，通过跟踪机体期望速度与实际速度的差值设计系统控制律，并将速度差以触觉力的形式反馈给操作者，再根据无源性准则求解控制律参数的合理范围。最后，基于Vortex多体

7、动力学软件所开发的虚拟仿真模型和NovintFalcon实物力反馈设备创建半物理仿真实验系统并进行相关实验，验证本文所提出平坦地形下六足机器人半自主双向触觉操控方法的有效性，且能够保证系统具有较好的位置-速度跟踪性能。针对松软地形下的六足机器人双向操控问题，本文首先研究机器人在与地面进行动态接触时的足-地作用机理。其中柔性足与松软地面相互作用时所产生的足底滑移现象，导致环境端将作为一个输入有源系统向从端系统注入额外的能量。此时，六足机器人操控系统的无源性将无法满足。因此本文根据法向及切向维度内的足-地接触力学模型

8、分析环境系统所表现出的潜在有源性，通过设计时域无源性控制算法实时补偿足底滑移所造成的机体速度-加速度损失，以此保证松软地形下六足机器人操控系统的稳定性。基于已有的半物理仿真平台验证所提出的控制方法能够改善松软地形下六足机器人双向触觉操控系统的持续跟踪能力。针对崎岖地形下六足机器人的多维度操控问题，本文在半自主控制模式的基础上设计可协同调控机体速度-位姿的二维操控方法。建立