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哈尔滨理工大学电子信息硕士学位论文

六足机器人失稳恢复及容错步态规划方法研究

摘要

六足机器人在野外复杂地形运动时，容易因各种突发状况导致其腿部驱动

关节故障。现有运动规划算法下机器人自主智能水平较低，机器人不具备腿部

故障后的自我调节能力，在腿部故障发生后极易出现失稳甚至丧失运动能力等

问题。基于此，本文旨在提高六足机器人在野外复杂环境运动时的自主智能水

平及容错运动能力，主要研究内容聚焦于随机性腿部故障下六足机器人失稳恢

复及容错步态规划问题。

为使六足机器人在容错运动规划时具备一定的自主智能性，本文首先对所

使用机器人进行运动学建模与分析，并对其典型运动进行规划。其次，分别采

用蒙特卡洛数值分析法与运动稳定性判据分析机器人腿部故障后单腿及整机的

剩余运动能力，并提出一种基于机器人剩余运动能力的容错方案选择流程。

为解决传统失稳恢复方法在有效调整腿在线选择方面的缺失问题以及所适

用倾翻失稳工况单一的问题，本文首先基于机器人失稳瞬间的状态信息，设计

考虑随机性腿部故障影响的有效调整腿在线选择方法。其次，依据所选择调整

腿的运动状态，分别设计基于摆动腿轨迹重规划及基于支撑腿轨迹补偿的失稳

恢复方法。最后将三种方法整合，提出一种基于调整腿轨迹自适应的失稳恢复

方法，并对所设计方法进行仿真，验证所提出方法的可行性及有效性。

为解决传统容错步态规划方法无法在运动过程中适应随机性的腿部故障问

题，本文通过对机器人稳定支撑状态展开分析，建立其与自身腿部故障状态变

化的映射关系，设计考虑机器人稳定裕度及运动学裕度变化的支撑状态寻优函

数，提出一种基于支撑状态动态寻优的六足机器人自适应容错步态规划方法。

最后，对所提出方法进行对比仿真，验证所提出方法的有效性及优越性。

为对所设计方法进行实验验证，本文首先对所使用六足机器人实机的硬件

与软件架构进行了介绍。在此基础上，开展了不同容错步态规划方法下机器人

的坡面容错行走对比实验，验证了本文所提出自适应容错步态规划方法在使机

器人适应随机性腿部故障、提高运动稳定性等方面的优越性及现实应用性。

关键词六足机器人；随机性腿部故障；失稳恢复；容错步态规划

-I-

哈尔滨理工大学电子信息硕士学位论文

ResearchonInstabilityRecoveryandFault-Tolerant

GaitPlanningMethodsforHexapodRobot

Abstract

Whenhexapodrobotsmoveincomplexoutdoorterrains,variousunforeseen

circumstancescanleadtofailuresintheirlegactuators.Existingmotionplanning

algorithmslacksufficientautonomousintelligencefortherobottoadjustitselfafter

legfailures.Asaresult,therobotispronetoinstabilityandevenlossofmobilityafter

legfailures.Thispaperaimstoenhancetheautonomousintelligenceandfault-tolerant

capabilityofhexapodrobotswhennavigatingincomplexoutdoorenvironments.The

mainfocusisoninstabilityrecoveryandfault-tolerantgaitplanningforhexapod

robotsunderrandomlegfailures.

Toimbuethehexapodrobotwithac