欠驅(qū)動雙足機器人動態(tài)步行規(guī)劃與抗擾動控制.pdf

1、仿人機器人是最有希望成為在人類生活和工作的環(huán)境中服務(wù)于人的機器人類型，其一直是機器人領(lǐng)域的研究熱點。盡管近年來仿人機器人研究取得了巨大進(jìn)展，但就目前的發(fā)展水平看，還遠(yuǎn)沒有達(dá)到能夠?qū)嶋H應(yīng)用的要求，主要原因之一就是機器人的快速動態(tài)運動能力和抗擾動能力都較差。對于欠驅(qū)動雙足機器人，由于不存在支撐域概念，因此無論是穩(wěn)定站立還是動態(tài)步行，其始終都處在一個動態(tài)穩(wěn)定的狀態(tài)中。本文以欠驅(qū)動雙足機器人為研究對象，可以避免傳統(tǒng)基于穩(wěn)定域規(guī)劃方法和思維的限制

2、，充分發(fā)掘雙足機器人的快速運動能力和動態(tài)穩(wěn)定能力，并為仿人機器人的動態(tài)步行規(guī)劃和抗擾動控制提供新的思路。
　　本文以快速和動態(tài)穩(wěn)定為目標(biāo)，研究欠驅(qū)動雙足機器人的動態(tài)步行規(guī)劃和抗擾動控制問題，主要研究內(nèi)容包括:
　　1.基于虛擬力控制方法對欠驅(qū)動雙足機器人進(jìn)行運動建模。首先將欠驅(qū)動雙足機器人分為欠驅(qū)動平面雙足機器人和欠驅(qū)動仿人機器人，針對不同狀態(tài)相分別進(jìn)行虛擬力控制建模，并分析欠驅(qū)動特性導(dǎo)致的虛擬力之間約束關(guān)系，建立虛擬力與支

3、撐腿關(guān)節(jié)力矩之間換算關(guān)系，研究雙腿支撐時各腿分虛擬力的合成與分配問題。
　　2.基于髖策略實現(xiàn)欠驅(qū)動平面雙足機器人的站立抗擾動控制。首先基于足底欠驅(qū)動引起的虛擬力之間的約束關(guān)系，以身體恒高和恒姿態(tài)控制為優(yōu)先目標(biāo)，建立前向運動方程并求解，構(gòu)建前向運動的相變圖并定義穩(wěn)定軌道用來描述穩(wěn)定狀態(tài)的集合。按照外力作用的位置將擾動分成3種情況，并基于髖策略分別規(guī)劃對應(yīng)的3種開環(huán)控制方法，可以在身體水平穩(wěn)定狀態(tài)和直立姿態(tài)都受影響的情況下，同時完成

4、水平方向的平衡控制和直立姿態(tài)恢復(fù)。
　　3.研究欠驅(qū)動平面雙足機器人的動態(tài)行走規(guī)劃和抗擾動控制問題。首先對單腿支撐相和雙腿支撐相的水平運動規(guī)律進(jìn)行分析，參考人的行走步態(tài)公式建立行走速度和單步步長/周期之間的關(guān)系，并在相變圖上規(guī)劃期望行走速度對應(yīng)的水平運動軌跡?；诼淠_點調(diào)整策略研究行走速度控制，通過對當(dāng)前步的末速度進(jìn)行估計并實時計算和調(diào)整落腳點以完成前向運動的實時閉環(huán)控制，并天然具有抗擾動控制能力。
　　4.以快速性為目標(biāo)，

5、研究欠驅(qū)動平面雙足機器人的短跑運動規(guī)劃。為實現(xiàn)雙足機器人更快速的運動，本文模仿運動員在短跑時“踮腳跑”的運動方式。腳尖著地的方式卻給支撐腿引入了1個冗余關(guān)節(jié)，導(dǎo)致在虛擬力控制時支撐腿內(nèi)部運動的不確定。為解決該問題，在分析身體虛擬力和支撐腿各關(guān)節(jié)做功的基礎(chǔ)上，以最大化虛擬力總驅(qū)動功率為目標(biāo)，提出膝和踝協(xié)調(diào)驅(qū)動的條件和實現(xiàn)方法。該方法通過均衡膝和踝的驅(qū)動負(fù)擔(dān)，既解決了支撐腿內(nèi)部運動的不確定問題，又充分發(fā)揮了踝關(guān)節(jié)的驅(qū)動能力。在腿部其他關(guān)節(jié)驅(qū)

6、動能力不變的情況下，通過短跑運動方式可以有效提高有腳板雙足機器人的運動速度。
　　5.研究欠驅(qū)動仿人機器人的動態(tài)行走規(guī)劃和抗擾動控制問題。首先，前向運動規(guī)劃直接沿用欠驅(qū)動平面雙足機器人的動態(tài)行走規(guī)劃方法，并預(yù)留單步周期作為觸發(fā)事件用來關(guān)聯(lián)側(cè)向運動。參考入側(cè)向運動的波動性規(guī)律，考慮到機器人抵抗不同側(cè)方向外力的能力存在差異等因素，分別規(guī)劃左右腿期望的側(cè)向運動軌跡。研究側(cè)向落腳點的實時調(diào)整方法，并分析單步和多步抗側(cè)向擾動的控制方法以及對