推进器辅助水下六足机器人的稳定性判据与稳定性提升

《IEEE Transactions on Robotics》：Stability Criterion and Stability Enhancement for a Thruster-Assisted Underwater Hexapod Robot

水下推进器辅助六足机器人稳定性评估与增强方法研究。针对传统稳定性准则不适用于推进器辅助机器人场景的问题，提出基于推进力阈值的动态稳定性判断准则，通过优化算法将姿态、速度、加速度等多物理场变量映射为推进力参数，并建立推进力调节与稳定性边界扩展的量化关系。该方法有效解决惯性力、流体阻力、推进力、重力和浮力等多干扰源的稳定性控制难题，为复杂水下环境下的运动规划与控制提供理论支撑。

　　

摘要：

稳定性标准对于设计腿部机器人的运动规划与控制算法至关重要。如果这些算法无法从理论上确保腿部机器人的稳定性，我们就需要通过大量试验来确定适合稳定运动的参数。然而，现有的大多数稳定性标准都是针对仅依靠腿部驱动的机器人设计的，无法应用于带有推进器辅助的腿部机器人。在这里，我们提出了一种针对带有推进器辅助的水下六足机器人的稳定性标准：通过计算允许的最大和最小推进力，并将其与当前的推进力进行比较来检查机器人的稳定性。在此基础上，我们提出了一种通过调整推进力值来提高机器人稳定性裕度的方法，这一过程被称为稳定性增强。该标准利用优化方法将机器人的姿态、速度、加速度以及腿部关节的角度和角速度等多种变量转化为一个变量（推进力），从而直接判断稳定性。此外，稳定性增强方法实现起来非常简单，因为它只需要调整推进力即可。这些研究为理解惯性力、流体力、推进力、重力和浮力等多类力如何影响机器人稳定性提供了见解。

引言

对于水下腿部机器人而言，稳定性是一个关键问题，因为它们在行走过程中可能会受到波浪、水流、电缆的牵引力以及腿部与地面相互作用力等多种干扰的影响[1][2]。如果机器人能够在这些干扰下自行恢复到预设的运动状态，则说明它是稳定的；否则，它就是不稳定的。另外，如果运动规划与控制算法无法从理论上保证稳定性，那么这些算法就无法直接应用于其他机器人，就需要通过大量试验来寻找适合稳定运动的参数[3]。因此，一个明确的稳定性标准是必不可少的，这样的标准不仅能够评估机器人的稳定性，还能为设计鲁棒的规划与控制算法提供稳定性约束的支持。