核电站救灾环境下六足机器人的步态规划与运动控制

发布时间：2025-07-05 11:31

　　核电站事故现场环境极其恶劣,伴随着大量的核辐射,以及事故产生的大量高温、高压的蒸汽,人类无法进入现场进行救灾任务,因此,对核电站救灾机器人的研究十分必要和迫切。由于在复杂救灾环境下,机器人的稳定平衡、重载灵活作业、能耗与时间的平衡分配、欠驱动行走等控制任务的实现极为困难,因此将救灾机器人主从控制与自律协同的研究作为核电站紧急救灾机器人基础科学问题之一是具有重大意义的。本文以实现核电站复杂的非结构救灾环境中机器人的稳定控制问题为目标,以救灾六足机器人为研究对象,对机器人的建模、步态规划和控制问题进行了深入的研究,主要的研究内容如下:1.本文在对救灾六足机器人机械结构和拓扑结构分析的基础上,建立了救灾机器人的运动学模型。并对所建立的运动学模型进行分析求解,得到机器人的反解模型。针对救灾六足机器人作业时需要同时满足稳定性和快速性的要求,为机器人选择了合理的步态。2.针对核电站救灾现场的非结构的复杂环境,本文设计了综合考虑机器人机构特性和环境约束的MPC控制器。通过对救灾六足机器人的非线性的混合动力学系统的建模分析,以及对机器人腿部关节的非周期运动分析,利用横向线性化技术,将本文复杂的非线性模型...

【文章页数】：147 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
abstract
主要符号对照表
第一章 绪论
    1.1 课题背景与研究意义
    1.2 核电站救灾机器人的研究现状
        1.2.1 足式机器人的研究现状
        1.2.2 核电救灾环境下的足式机器人的研究现状
    1.3 六足机器人的控制研究现状
    1.4 六足机器人的容错控制研究现状
    1.5 六足机器人的能耗控制的研究现状
    1.6 本文主要研究内容
第二章 救灾六足机器人机构设计及运动学分析
    2.1 引言
    2.2 核电站救灾环境下救灾机器人的设计要求
    2.3 救灾六足机器人的机构设计
        2.3.1 救灾六足机器人腿部设计
        2.3.2 救灾六足机器人整机设计
    2.4 救灾六足机器人的运动学分析
        2.4.1 坐标系的建立
        2.4.2 位置反解模型
    2.5 救灾六足机器人的步态策略
    2.6 小结
第三章 救灾六足机器人带约束的MPC控制器设计
    3.1 引言
    3.2 救灾六足机器人控制问题分析
    3.3 救灾六足机器人的动力学模型
    3.4 救灾六足机器人的非周期期望轨迹设计
        3.4.1 周期轨迹设计
        3.4.2 非周期轨迹设计
    3.5 救灾六足机器人的动态控制策略设计
        3.5.1 横向线性化
        3.5.2 MPC控制器设计
    3.6 控制器的稳定性分析
    3.7 仿真验证
        3.7.1 平整地势行走仿真
        3.7.2 不平地势行走仿真
    3.8 小结
第四章 关节故障情况下救灾六足机器人的MPC控制器设计
    4.1 引言
    4.2 救灾六足机器人的故障及容错策略分析
        4.2.1 执行器的故障分析
        4.2.2 容错控制策略
        4.2.3 故障间转换分析
    4.3 关节故障情况下的救灾六足机器人的容错控制器设计
        4.3.1 关节故障情况下的救灾六足机器人的混合动力学模型
        4.3.2 欠驱动系统横向线性化
        4.3.3 容错MPC控制器设计
    4.4 稳定性分析
        4.4.1 控制算法的稳定性
        4.4.2 机身的前进稳定性
    4.5 仿真验证
    4.6 小结
第五章 综合考虑救援时间和能耗的最优控制器设计
    5.1 引言
    5.2 综合考虑救援时间和能耗的最优控制问题分析
    5.3 救灾六足机器人的能耗模型
        5.3.1 运动学模型
        5.3.2 力学模型
        5.3.3 足端轨迹规划
        5.3.4 救灾六足机器人的能耗模型
        5.3.5 能耗模型验证
    5.4 综合考虑救援时间和能耗的最优控制器设计
        5.4.1 最优问题的提出
        5.4.2 最优控制器设计
    5.5 仿真验证
    5.6 小结
第六章 救灾六足机器人的样机实验
    6.1 引言
    6.2 实验系统的搭建
        6.2.1 样机硬件实验平台
        6.2.2 软件采用技术介绍
        6.2.3 软件模块化
        6.2.4 实验平台测试
    6.3 救灾六足机器人随机添加障碍物实验
    6.4 救灾六足机器人复杂地势行走实验
    6.5 综合考虑救援时间和能耗的优化控制实验
        6.5.1 机器人行走稳定性实验
        6.5.2 机器人能耗实验
        6.5.3 机器人综合考虑时间和能耗实验
    6.6 小结
第七章 总结与展望
    7.1 研究内容总结
    7.2 对未来的展望
参考文献
致谢
攻读学位期间发表的学术论文
攻读学位期间参与的项目



本文编号：4056035