基于零力矩点的四足轮腿机器人运动轨迹规划研究.pdf

摘要

四足轮腿机器人是四足类机器人的一个重要前沿研究领域，它能够完成传统

四足机器人的大部分动作，并且能够在这些动作的基础上叠加轮子滚动，从而在

越过障碍、上楼梯台阶等多种场景具有明显的速度和稳定性优势。

本文以四足轮腿机器人为研究对象，重点研究了轮子轨迹规划和基座的轨迹

规划的算法部分。为完成轨迹规划算法的设计，本文对其腿部运动学、动力学进

行了分析讨论，对稳定性和控制算法进行了详细的研究。最终研究目标为设计四

足轮腿机器人的步态模式，完成四足轮腿机器人轨迹规划的完整工作。

本文先针对四足轮腿机器人的腿部进行系统建模和分析，推导出轮子相对基

座的运动学变换公式，得出了腿部的工作空间和相关约束条件。然后通过Adams

软件进行了腿部运动学仿真，验证了理论分析结果。然后，本文将轮子的轨迹规

划问题建模为二次规划问题，对空中的轨迹和地面的轨迹分开建模，由运动学指

标、动力学指标、参考量指标和相位规划指标等指标构建目标函数和约束条件，

在Matlab中进行算法求解，得到轮子的轨迹。最后，本文研究了四足轮腿机器人

的稳定性裕度和零力矩点的原理，通过几何跟踪的方法，对任意时刻的零力矩点

进行估计和优化，在保证稳定性和减少能量消耗的前提下，完成了四足轮腿机器

人的基座轨迹规划。对于四足轮腿机器人的步态切换问题，本文提出了相位规划

的状态机，解决规划算法的应用问题。

本文在完成理论分析和算法设计后，制作了Webots的虚拟样机模型，并搭建

多种不同的障碍物环境对模型进行功能测试和指标测试。在步态轨迹、速度、加

速度和相关关节电机的力矩等数据上表现正常，测试结果证明了轨迹规划算法能

够规划出满足约束条件的轨迹，机身的稳定性能够得到保证。

关键词：四足轮腿机器人，零力矩点，轨迹规划，事件触发，CoT

ABSTRACT

Quadrupedwheel-leggedrobotsareanimportantfrontierresearchareafor

quadruped-likerobots,whichcanperformmostofthemovementsoftraditional

quadrupedrobotsandcansuperimposewheelrollingontopofthesemovements,thus

havingobviousspeedandstabilityadvantagesinavarietyofscenariossuchas

overcomingobstaclesandgoingupstairsteps.

Withaquadrupedwheel-leggedrobotastheresearchobject,thisthesisfocuson

thealgorithmicpartofwheeltrajectoryplanningandtrajectoryplanningofthebase.To

completethedesignofthetrajectoryplanningalgorithm,thisthesisanalyzesand

discussesitslegkinematicsanddynamics,andconductsadetailedstudyofthestability

andcontrolalgorithms.Thefinalresearchgoalistodesignthegaitpatternofthe

quadrupedwheel-leggedrobotandcompletethecompleteworkoftrajectoryplanning

forthequadrupedwheel-leggedrobot.

Atfirst,thisthesismodelsandanalyzesthesystemforthelegofthequadruped

wheel-leg