劉宇飛，丁 亮，高海波，劉 振，胡艷明，何玉慶，鄧宗全

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150080； 2. 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所機(jī)器人學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110016)

0 引 言

足式機(jī)器人可以自主行走在崎嶇地形下，在月球探測(cè)[1]、搶險(xiǎn)救災(zāi)[2]等領(lǐng)域內(nèi)都體現(xiàn)了腿式機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)。在多任務(wù)環(huán)境下，足式機(jī)器人的自主導(dǎo)航和避障是移動(dòng)機(jī)器人研究中非常重要的部分[3-4]。AMBLER[5]是由美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)與噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室共同研制的用于星球探測(cè)的六足移動(dòng)機(jī)器人，機(jī)器人可以在無(wú)人幫助的環(huán)境下通過(guò)崎嶇地形。NASA-JPL研制的ATHLETE機(jī)器人被譽(yù)為最先進(jìn)的六足機(jī)器人[6-7]，其用途是在月球表面運(yùn)送人員和裝備，具有很強(qiáng)的地形適應(yīng)能力。

足式機(jī)器人在一個(gè)結(jié)構(gòu)地形下，可以通過(guò)本體傳感器對(duì)地形做一個(gè)初步估計(jì)并指導(dǎo)足端落足點(diǎn)選擇；當(dāng)機(jī)器人遇到小障礙物時(shí)，可以選擇踏過(guò)去，但當(dāng)機(jī)器人面臨一個(gè)極度崎嶇或不可逾越的障礙物時(shí)，若不借助視覺(jué)信息是無(wú)法順利通過(guò)的。在移動(dòng)機(jī)器人實(shí)際工作中，自主的躲避障礙物是非常必要的任務(wù)之一，這涉及地形識(shí)別、步態(tài)、路徑規(guī)劃以及落足點(diǎn)選擇等任務(wù)。

在未知環(huán)境中辨別障礙物是避障運(yùn)動(dòng)的前提，一般大部分機(jī)器人利用相機(jī)信息[8]或激光測(cè)距傳感器數(shù)據(jù)[9]建立地形高程圖，利用柵格表示環(huán)境模型起源于美國(guó)CMU大學(xué)，Borenstein曾采用柵格表示環(huán)境，提出矢量場(chǎng)矩形法控制機(jī)器人行走方向[10]。激光測(cè)距儀掃描精度較高[11]，一種基于激光測(cè)距儀的自適應(yīng)調(diào)節(jié)閾值求可行方向的方法被提出[12]，此方法根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人的行駛方向與參考方向的偏差值作為對(duì)機(jī)器人前進(jìn)方向線速度的限制，并在ASR機(jī)器人上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，使機(jī)器人可以安全平滑地通過(guò)障礙區(qū)域。針對(duì)單一視覺(jué)傳感器無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜空間作業(yè)問(wèn)題，文獻(xiàn)[13]提出基于單目相機(jī)與激光雷達(dá)融合的位姿估計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了尺度模糊下的位姿快速估計(jì)。本文采用激光測(cè)距儀獲取地形信息，并基于障礙物與機(jī)體之間的距離信息得到最優(yōu)可行方向和最短運(yùn)動(dòng)距離。

足式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的軌跡規(guī)劃過(guò)程，當(dāng)機(jī)器人直線行走的時(shí)候，可以在考慮能耗和流量的前提下去規(guī)劃足端軌跡[14]。根據(jù)機(jī)器人本體傳感器和視覺(jué)信息，Belter[15]采用A*規(guī)劃算法去實(shí)現(xiàn)基于地形高程圖的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃研究，基于地形引導(dǎo)的RRT算法找到了精確的可行方向，通過(guò)辨識(shí)出地形的可通過(guò)性指標(biāo)，完成了機(jī)器人的自主避障運(yùn)動(dòng)。文獻(xiàn)[16]針對(duì)自由漂浮空間機(jī)器人，提出一種FFSR的避障規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)了FFSR的避障控制并保證其環(huán)境適應(yīng)性。針對(duì)月球車(chē)的避障技術(shù)，文獻(xiàn)[17]提出了虛擬主體避障技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了月球車(chē)在障礙圖中的避障學(xué)習(xí)與控制。避障運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，本文采用了環(huán)境中靜止的物體作為障礙物，且障礙物的高度高于機(jī)器人本體，即視為不可逾越的物體。

目前，在足式機(jī)器人中，針對(duì)自主避障運(yùn)動(dòng)的研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證較少。本文以電驅(qū)動(dòng)六邊形對(duì)稱(chēng)分布的六足機(jī)器人為研究對(duì)象，模擬月壤崎嶇地面，提出了基于虛擬機(jī)體模型的自主避障策略，得到了機(jī)器人偏航運(yùn)動(dòng)過(guò)程的擺動(dòng)相和支撐相軌跡，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了六足機(jī)器人可以自主的通過(guò)障礙地形。

1 地形建模

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人安全的在未知復(fù)雜環(huán)境下自主行走，需要機(jī)器人預(yù)先檢測(cè)地形并建模，從而幫助機(jī)器人避開(kāi)行走軌跡上的障礙物。針對(duì)腿部對(duì)稱(chēng)分布的六足機(jī)器人，采用基于機(jī)體質(zhì)心的地圖建模方法。在機(jī)器人行走過(guò)程中，根據(jù)檢測(cè)得到的地形實(shí)時(shí)距離和高度信息，生成更新的地形高程圖。通過(guò)機(jī)器人本體上的激光傳感器可以準(zhǔn)確得到實(shí)時(shí)更新的機(jī)體與障礙物之間的距離，根據(jù)障礙物的形狀和距離，決定機(jī)器人下一步的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

激光測(cè)距傳感器可以得到地形環(huán)境下的點(diǎn)云信息，通過(guò)對(duì)點(diǎn)云信息的分析和處理，區(qū)分平坦地形和障礙地形。下一步機(jī)器人根據(jù)障礙的距離和高度，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的安全裕度范圍內(nèi)，在大地坐標(biāo)系下沿著安全路徑自主行走。為更準(zhǔn)確的描述地形信息，建立了基于地形建模的4個(gè)坐標(biāo)系系統(tǒng)，如圖1所示。分別為大地坐標(biāo)系OW，本體坐標(biāo)系OB，傳感器坐標(biāo)系OV和腿部坐標(biāo)系OL。其中障礙物高為h，寬度為w。

相對(duì)于大地坐標(biāo)系，機(jī)體坐標(biāo)系的坐標(biāo)為BP(BPX,BPY,BPZ)，腿部坐標(biāo)系為L(zhǎng)iP(LiPX,LiPY,LiPZ)，傳感坐標(biāo)系為VP(VPX,VPY,VPZ)。為了建立基于機(jī)體質(zhì)心的地形信息，將激光測(cè)距傳感器信息轉(zhuǎn)換到機(jī)體坐標(biāo)系下：

(1)

(2)

由于在高度測(cè)量過(guò)程中，物體在兩個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)下的橫縱坐標(biāo)不變，因此矩陣P=[0 0 1]。高度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差如下所示：

(3)

其中ΣV代表激光傳感器模型的協(xié)方差矩陣，ΣP,q是傳感器坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的協(xié)方差矩陣。JV是傳感器測(cè)量的雅克比矩陣，Jq是傳感器坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的雅克比矩陣。

針對(duì)地形高程圖的云圖更新，采用擴(kuò)展卡爾曼濾波的方式對(duì)更新數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合[19]。擴(kuò)展卡爾曼濾波方程中的狀態(tài)變量等同于地圖信息中的高度信息。擴(kuò)展卡爾曼濾波更新方程如方程(4)-(6)所示。

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

通過(guò)這種方式，可以更新實(shí)時(shí)的地形高度信息和高度的標(biāo)準(zhǔn)差，從而得到實(shí)時(shí)的地形高程圖。圖2是通過(guò)此方法得到的地形信息測(cè)試。

2 障礙檢測(cè)及避障算法

基于地形建模得到的高程圖，可以通過(guò)相鄰網(wǎng)格判斷其是否為障礙物。需要通過(guò)障礙檢測(cè)方法得到障礙物在大地坐標(biāo)系下的位置。下一步根據(jù)障礙物和機(jī)器人之間的位置關(guān)系，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主避障。

2.1 障礙檢測(cè)

(9)

其中柵格的高度信息表示為h[p,q]，代表了部分地形的平均高度。

(10)

其中k屬于柵格中點(diǎn)云的數(shù)量，利用h[p,q]去評(píng)價(jià)地形的平坦程度，判斷是否是障礙物。

(11)

2.2 避障算法

地圖上的每個(gè)柵格存儲(chǔ)了地圖上每個(gè)點(diǎn)的高度值，首先對(duì)地圖上的整個(gè)區(qū)域進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到平均高度最低區(qū)域，即為可通過(guò)性最好區(qū)域。本文提出一種基于虛擬機(jī)體模型的自主避障的方法，利用激光測(cè)距儀獲得的地形信息得到地形通過(guò)性最好區(qū)域，最后計(jì)算得到最優(yōu)的可行方向，并實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)距離最短完成避障運(yùn)動(dòng)。由于六足機(jī)器人是六邊形對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，因此在任意方向都可以當(dāng)作前進(jìn)方向，并不需要做轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，可以沿著給定的方向?qū)崿F(xiàn)全向運(yùn)動(dòng)?；诒倔w傳感器得到機(jī)器人本體及各腿的位置信息，建立虛擬機(jī)體模型，通過(guò)虛擬機(jī)體模型可以最大限度的包絡(luò)整個(gè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)范圍，防止機(jī)器人和障礙物相碰。通過(guò)虛擬機(jī)體和障礙物的幾何模型，可以實(shí)現(xiàn)高效簡(jiǎn)便的計(jì)算得到機(jī)器人與障礙物的距離及最優(yōu)的運(yùn)動(dòng)可行方向。機(jī)器人的避障運(yùn)動(dòng)可以分為以下幾個(gè)步驟：

第一步：基于本體傳感器信息，建立一個(gè)以機(jī)體質(zhì)心為圓心，機(jī)體質(zhì)心到足末端位置距離為半徑的虛擬機(jī)體幾何模型，如圖3所示。

第二步：以虛擬機(jī)體模型構(gòu)成的圓形區(qū)域作為每一步的采樣評(píng)價(jià)區(qū)域，其最大包絡(luò)尺寸為以機(jī)器人原點(diǎn)為圓心，半徑為1430 mm的圓形區(qū)域。在機(jī)器人行走避障過(guò)程中實(shí)時(shí)更新激光掃描獲得的柵格信息，對(duì)機(jī)器人前進(jìn)方向的采樣區(qū)域進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)激光測(cè)距儀得到地圖上每個(gè)柵格點(diǎn)的高度值，對(duì)采樣點(diǎn)評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)的所有柵格點(diǎn)做加和取平均值，得到平均高度最低區(qū)域，即為可行方向最優(yōu)。計(jì)算得到機(jī)器人質(zhì)心到障礙物的垂直距離dOV和質(zhì)心到最優(yōu)方向點(diǎn)T的距離dOT，根據(jù)距離dOT和機(jī)器人虛擬模型的包絡(luò)范圍可以確定機(jī)器人的偏航方向，并保證運(yùn)動(dòng)距離最短，實(shí)現(xiàn)最快速的避障運(yùn)動(dòng)。

第三步：根據(jù)建立的虛擬圓幾何模型，得到圓切點(diǎn)M距離障礙邊界點(diǎn)N的連線，并計(jì)算得到機(jī)器人的避障偏航角φ。

(12)

其中dOT可以根據(jù)本體傳感器及激光傳感器的測(cè)量值計(jì)算得到。

以此方法可以保證機(jī)器人沿著最短距離達(dá)到目標(biāo)位置O′，當(dāng)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，根據(jù)激光測(cè)距信息實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)避障偏航角φ，從而實(shí)現(xiàn)最快速度的避障運(yùn)動(dòng)。

在避障過(guò)程中保證機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)直徑l′

3 基于自主避障的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的軌跡實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)有激光測(cè)距傳感器反饋時(shí)，機(jī)器人按照給定的方向角和步長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，完成自主避障運(yùn)動(dòng)，因此機(jī)體運(yùn)動(dòng)規(guī)劃是實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的重要一環(huán)。根據(jù)機(jī)器人本體的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，得到機(jī)器人支撐腿的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而規(guī)劃出各腿擺動(dòng)相的落足點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)足端支撐相和擺動(dòng)相的軌跡規(guī)劃。

3.1 六足機(jī)器人機(jī)身運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

機(jī)器人機(jī)體運(yùn)動(dòng)軌跡的時(shí)間函數(shù)由六個(gè)變量組成，選取機(jī)器人質(zhì)心在大地坐標(biāo)系平面內(nèi)的行進(jìn)速度，機(jī)體支撐高度，轉(zhuǎn)彎半徑和三個(gè)姿態(tài)角的時(shí)間函數(shù)。記為：(vB(t),hB(t),rB(t),α(t),β(t),γ(t))T。機(jī)器人的行進(jìn)速度，支撐高度，俯仰角和滾轉(zhuǎn)角都可以直接線性給出，轉(zhuǎn)彎半徑和偏航角根據(jù)激光測(cè)距儀檢測(cè)得到的信息實(shí)時(shí)給定，從而達(dá)到最優(yōu)的偏航軌跡。機(jī)體的偏航角度的變化與轉(zhuǎn)彎半徑有關(guān)，根據(jù)圖5所示，當(dāng)機(jī)器人沿著轉(zhuǎn)彎半徑進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，其轉(zhuǎn)向半徑可以表示為：

rB=S/(2sin(rwπ/4))

(13)

其中，S為機(jī)體質(zhì)心距運(yùn)動(dòng)速度點(diǎn)的距離，rw為轉(zhuǎn)向參數(shù)，在避障運(yùn)動(dòng)過(guò)程中給定。

當(dāng)機(jī)器人保持直線勻速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，機(jī)體質(zhì)心運(yùn)動(dòng)速度可以通過(guò)多項(xiàng)式方程擬合得到：

(14)

(15)

其中，λ是足端運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)。根據(jù)機(jī)體質(zhì)心距運(yùn)動(dòng)速度點(diǎn)的距離和前向運(yùn)動(dòng)速度vB，可以得到機(jī)體的偏航速度為：

vp=vB/(Ssec(rwπ/4))

(16)

當(dāng)?shù)玫綑C(jī)器人本體的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度之后，可以根據(jù)機(jī)體質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)足端軌跡的實(shí)時(shí)規(guī)劃。

3.2 六足機(jī)器人足端軌跡規(guī)劃

由于足式機(jī)器人的移動(dòng)是通過(guò)各腿足的交替運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，基于規(guī)劃好的機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)，將機(jī)體規(guī)劃轉(zhuǎn)化為各腿有序的行走。采用二步態(tài)的步序，如圖6所示，將六足腿分成兩組，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人最快速度的行走及避障運(yùn)動(dòng)。

足端軌跡規(guī)劃過(guò)程中需要先對(duì)足端軌跡進(jìn)行規(guī)劃，后通過(guò)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)轉(zhuǎn)換為各關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。將足端運(yùn)動(dòng)規(guī)劃分為支撐相和擺動(dòng)相軌跡。

(17)

根據(jù)足端目標(biāo)位置和機(jī)體期望的偏航速度，基于前進(jìn)方向的目標(biāo)位置，速度和加速度，對(duì)足端擺動(dòng)相軌跡進(jìn)行規(guī)劃：

(18)

其中矩陣A可以被寫(xiě)為：

(19)

通過(guò)參數(shù)辨識(shí)，得到避障運(yùn)動(dòng)過(guò)程中多項(xiàng)式中的各參數(shù)：

(20)

根據(jù)機(jī)器人的偏航速度，得到足端的支撐相軌跡方程為：

(21)

根據(jù)機(jī)器人質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)速度和實(shí)時(shí)改變的運(yùn)動(dòng)方向，通過(guò)多項(xiàng)式擬合的方式，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的擺動(dòng)相和支撐相軌跡。通過(guò)機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程得到跟關(guān)節(jié)角α，髖關(guān)節(jié)角β和膝關(guān)節(jié)角γ：

(22)

(23)

(24)

表1 六足機(jī)器人參數(shù)Table 1 Parameters of hexapod robot

通過(guò)計(jì)算得到各腿關(guān)節(jié)角之后，通過(guò)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)規(guī)劃的足端速度和位置的跟蹤，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主避障運(yùn)動(dòng)。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)提出的避障策略和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，可以讓機(jī)器人在未知的環(huán)境下找出一條安全的路徑。為驗(yàn)證所提出方法的可行性，在ElSpider機(jī)器人上對(duì)控制策略進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，其六足機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)如圖7所示。

六足機(jī)器人的試驗(yàn)系統(tǒng)包括內(nèi)部和外部傳感器系統(tǒng)，其內(nèi)部傳感器包括運(yùn)動(dòng)控制器，驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)；外部傳感器包括足底六維力傳感器，安裝在本體上的姿態(tài)傳感器IMU，以及激光測(cè)距傳感器Velodyne，其采樣頻率達(dá)到10 Hz。六足機(jī)器人傳感器信息見(jiàn)表2所示。

表2 六足機(jī)器人傳感設(shè)備信息Table 2 Equipments of the ElSpider robot

為最大限度保證激光雷達(dá)的掃描范圍，將激光雷達(dá)傾斜10°安裝在機(jī)器人本體上，以便可以最大限度看到前面落足位置并掃描到前方物體，如圖7所示。

通過(guò)激光測(cè)距傳感器信息，設(shè)定一個(gè)長(zhǎng)3 m×寬8 m的地形圖，地形圖上每一個(gè)柵格尺寸均為0.3 m的正方形。

在機(jī)器人避障運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)避障策略得到最優(yōu)航向角度，通過(guò)UDP通信方式將實(shí)時(shí)角度發(fā)送給機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。為了驗(yàn)證機(jī)器人可以正確、實(shí)時(shí)響應(yīng)最優(yōu)航向角度，通過(guò)機(jī)器人本體傳感器測(cè)量機(jī)體的偏航角度并與激光測(cè)距信息得到的偏航角度對(duì)比，如圖8所示。

試驗(yàn)曲線中的紅色實(shí)線是根據(jù)3.2節(jié)中通過(guò)激光測(cè)距傳感器得到的最優(yōu)可行偏航角度信息；藍(lán)色星線代表通過(guò)本體傳感器計(jì)算得到的機(jī)體實(shí)時(shí)偏航角度，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)機(jī)器人可以實(shí)時(shí)跟蹤激光傳感器給定的最優(yōu)偏航角度，但是由于六足機(jī)器人的足端運(yùn)動(dòng)是非連續(xù)運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)有一定的滯后，導(dǎo)致無(wú)法完全跟蹤偏航角度。

從曲線中可以看出在開(kāi)始時(shí)機(jī)器人距離障礙物很近，因此通過(guò)計(jì)算得出機(jī)器人的偏航角度為66.8°，當(dāng)機(jī)器人向偏航方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，偏航角度逐漸變小，到272 s時(shí)，機(jī)器人完全避開(kāi)了障礙物，開(kāi)始朝向前進(jìn)方向運(yùn)動(dòng)，因此偏航角度變?yōu)?°。

通過(guò)本體傳感器數(shù)據(jù)采集得到機(jī)器人各足的足端位置曲線，其足端軌跡曲線是基于機(jī)體坐標(biāo)系繪制的，可以體現(xiàn)出機(jī)器人的運(yùn)行方向，通過(guò)足端軌跡驗(yàn)證機(jī)器人可以準(zhǔn)確沿著偏航方向運(yùn)動(dòng)，由于在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中采用二步態(tài)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的步態(tài)運(yùn)動(dòng)，因此分別繪制足1和足2的軌跡曲線，如圖9和圖10所示。

從圖9和圖10中可以看出在機(jī)體坐標(biāo)系下機(jī)器人的足端軌跡曲線完成了擺動(dòng)相和支撐相的循環(huán)運(yùn)動(dòng)，并時(shí)刻沿著偏航的方向行走，兩組不同的腿可以相互協(xié)調(diào)的完成偏航運(yùn)動(dòng)過(guò)程。當(dāng)檢測(cè)到障礙物時(shí)，足端沿著前進(jìn)方向和水平方向的夾角運(yùn)動(dòng)，當(dāng)避開(kāi)障礙物以后，足端沿著前進(jìn)方向運(yùn)動(dòng)，完成整個(gè)的避障過(guò)程。

針對(duì)六足機(jī)器人完成的避障運(yùn)動(dòng)，為驗(yàn)證關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性，圖11和12所示為腿1和腿2的跟關(guān)節(jié)，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)曲線。

通過(guò)曲線11和12可以看出機(jī)器人的腿1和腿2關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)連續(xù)，并根據(jù)足端軌跡曲線完成了相應(yīng)的避障運(yùn)動(dòng)。六足機(jī)器人的避障運(yùn)動(dòng)過(guò)程見(jiàn)圖13所示，可以根據(jù)地圖信息近似得到機(jī)器人距離障礙物的距離，地圖中標(biāo)亮的地形為障礙物，可以根據(jù)地圖尺寸信息和機(jī)器人尺寸信息得出機(jī)器人質(zhì)心距離障礙物的近似距離為2.6 m。最終，依據(jù)實(shí)時(shí)更新的地圖信息，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了自主避障運(yùn)動(dòng)。

5 結(jié) 論

基于激光測(cè)距信息的避障運(yùn)動(dòng)是機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下作業(yè)的重要手段之一，通過(guò)模擬月壤環(huán)境并實(shí)現(xiàn)地形建模，解決了機(jī)器人在未知環(huán)境下的自主避障和導(dǎo)航問(wèn)題，本文對(duì)其地形建模和自主避障策略進(jìn)行了研究，有以下結(jié)論：

(1) 基于激光測(cè)距儀信息，完成了實(shí)時(shí)的地形建模，并得到了障礙和機(jī)器人本體幾何信息的映射，提出基于虛擬機(jī)體模型的自主避障策略，得到機(jī)器人避障運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的最優(yōu)可行方向和最短運(yùn)動(dòng)距離。

(2) 針對(duì)電驅(qū)動(dòng)六邊形對(duì)稱(chēng)分布的六足機(jī)器人，建立了其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，規(guī)劃了實(shí)時(shí)避障的機(jī)體和足端運(yùn)動(dòng)軌跡，完成了擺動(dòng)相和支撐相的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，使機(jī)器人可以根據(jù)給定的可行方向?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)。

(3) 進(jìn)行了六足機(jī)器人樣機(jī)避障運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了六足機(jī)器人在未知環(huán)境下的自主避障運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，六足機(jī)器人可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確跟蹤避障策略中給定的偏航角度，避障過(guò)程中的擺動(dòng)相和支撐相的運(yùn)動(dòng)軌跡驗(yàn)證了避障策略的有效性和實(shí)時(shí)性。

在未來(lái)的工作中，考慮到六足機(jī)器人會(huì)在復(fù)雜凸凹不平的地形下行走，此時(shí)需要對(duì)機(jī)器人足底的地形進(jìn)行建模，并根據(jù)實(shí)時(shí)的地形信息為機(jī)器人提供安全的落足點(diǎn)選擇是進(jìn)一步需要研究的問(wèn)題。