基于MPC的仿生尺蠖机器人运动控制

摘要

【目的】随着科技的日新月异，人们的生活环境也在发生着巨大的变化。工业化的聚集以及人口密度的增加促使建筑不断向上增高或向下延伸，出现了很多人们不方便到达或是无法到达的地方，但这些地方机器人却可以到达。目前机器人最热门的研究方向之一是非常规结构机器人，通过精简自身的冗余结构以及体积，增加对应的功能结构，使机器人可以在不适宜人们工作的地方代替人们进行相应的工作。【方法】研制了一款适合攀爬的仿尺蠖机器人。针对优化尺蠖机器人在运动过程中的步态问题，提出了基于模型预测控制(MPC)的仿生吸盘式尺蠖机器人运动控制方法。根据章鱼的吸盘结构设计了仿章鱼负压式吸盘以及吸盘控制模型，利用气压传感器反馈的数据实现闭环控制；基于MPC仿生吸盘控制器提出了基于模型预测仿生吸盘控制的仿尺蠖机器人运动步态。【结果】机器人仿真实验和测试结果表明，基于MPC仿生吸盘控制器(MPC-BSC)在吸盘气压优化上相较PID控制有明显优势，MPC-BSC仿尺蠖机器人可以在水平和竖直的瓷砖平面完成“Ω”型运动步态。本文的主要研究结果如下：设计了仿章鱼负压式吸盘，并提出了吸盘控制模型。在负压控制下，可以调整吸盘的吸附压力以满足躯干结构运动对吸附力的需求。提出了基于MPC的仿生吸盘控制算法，该算法通过调节真空泵流速进而实现对吸盘吸附力的调节。设计了仿生吸盘式尺蠖机器人，其躯干结构安装了4个纵向伺服电机和2个横向伺服电机，可以实现“Ω”型运动步态和转向步态。提出了MPC-BSC的运动步态规划，实现“Ω”型运动步态和转向步态。实验测试了仿生吸盘的性能，验证边缘结构对仿生吸盘吸附力的作用。【结论】通过仿真实验测试了基于MPC的仿生吸盘控制算法的可行性，实验验证了仿尺蠖机器人可以在不同倾角、不同材质的平面上实现“Ω”型步态和转向步态。本文研制的仿生吸盘结构为机器人的吸附功能拓展了应用场景，降低了吸附功能的复杂性；提出的“Ω”型运动步态对异形机器人的运动具有很好的参考价值，使其能够在复杂地形下进行简单高效的运动。

关键词

仿生吸盘 / 仿生尺蠖 / 机器人 / 运动规划 / 机械设计 / 电机控制 / 嵌入式系统 / 姿态控制

基金资助

国家自然科学基金项目(52272080); 国家重点研发计划项目(2016YFD0700101-04)