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重载液控六足机器人运动轨迹规划研究

摘要

大型足式机器人是一种具有高灵活性、高可靠性、强大越障能力的仿生运

动机械，可应用于矿山勘探、油田开采、排雷探测、军事运输等高风险或人工

难以到达的工作环境，拥有轮式机器人所不具备的离散化落足能力、全方向轨

迹跟踪能力、以及多冗余腿与工作臂的作业能力。作为仿生学与机械学融合交

叉产品的仿昆虫重载液压六足机器人凭借其优秀的静态稳定性裕度、多冗余度

下的良好容错性、高负载能力逐渐成为了足式机器人研究中的重要领域。

本文针对大型液压六足机器人质心的路径轨迹，足端的运动轨迹和轨迹的

误差补偿问题展开了研究。

首先，基于DH参数法对机器人进行运动学建模，求解了液压缸与足端位

移、速度和力的映射模型；建立了机身与腿部的位姿映射模型；基于蒙特卡洛

方法分析了机器人足端可行工作域和液压缸力-空间分布情况；基于可操作度指

标给出了腿部尺寸的优化方向。

其次，提出了基于膨胀处理的障碍物栅格构建策略和考虑机器人通行能力

的局部路径修改方案。为机体质心的平面运动轨迹设计了基于改进ACO和GA

融合的路径生成算法，并分析了固定路径下能耗指标与步态参数之间的关系。

然后，结合规划的质心路径轨迹设计了斜向与转向两种基础运动表征方案，

通过两者复合使六足机器人具备全向运动规划能力。根据仿生学、行走平顺性

和低冲击原则为足端设计了复合贝塞尔运动轨迹，并将其扩展到三维空间，完

成了全向运动足端轨迹规划及空间控制点的映射求解。

之后，在SolidWorks中完成三维模型创建；在Simulink中完成运动算法的

设计；在Gazebo中完成算法的移植与仿真环境的搭建；在RViz中完成运动状

态的可视化监测，完成了机器人全向运动规划策略的仿真验证。

最后，针对液压系统高度非线性的动态行为，如液压缸油液摩擦、迟滞、

控制输入饱和、阀门开度不足/重叠，以及模型参数的不确定性造成的不良影响，

提出了一种基于误差预测的轨迹补偿方法来提高足端轨迹跟踪的精度，并通过

实验验证了所提出的方法的有效性。

I

本文的研究为足式机器人的运动规划提供了一定的技术指导。

关键词：

液压，六足机器人，轨迹规划，运动规划，误差预测

II

ResearchonMotionTrajectoryPlanningofHeavy-Load

HydraulicDrivenHexapodRobots

Abstract

Largehydraulichexapodrobotisakindofbio-inspiredmotionmachinewith

highflexibility,reliability,andpowerfulobstaclesurmountingabilities.Itcanbe

appliedinhigh-riskorhard-to-reachworkenvironments,suchasminingexploration,

oilfieldextraction,landminedetection,andmilitarytransportation.Itpossesses

discretefootplacementabilities,all-directiontrajectorytrackingabilities,and

multipleredundantlegandarmoperationabilitiesthatwheeledrobotsdonothave.

Asacross-productofthefusionofbionicsandmechanics,thebio-inspired

heavy-dutyhydraulichexapodrobothasgraduallybec