基于SLIP歸約模型的足式機器人動步態(tài)控制研究.pdf

1、作為宏觀運動仿生的代表，以模擬生物的體貌形態(tài)、運動特征為目標的足式機器人以其獨特的結(jié)構(gòu)類型、靈活的運動形式和出眾的地形適應(yīng)能力在山地運輸、軍事戰(zhàn)場、核工業(yè)現(xiàn)場等一系列極端作業(yè)環(huán)境下扮演著日益重要而不可替代的角色。自Boston Dynamics公司的四足機器人BigDog、WildCat和雙足機器人 Petman、Atlas相繼問世，更是在世界范圍內(nèi)掀起了一股前所未有的足式機器人研制熱潮。
　　動步態(tài)控制是足式機器人最具挑戰(zhàn)性的問

2、題之一，由于機器人自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、系統(tǒng)動力學(xué)模型的高維度非線性等因素的存在，即便當今最先進的足式機器人與生物堪稱完美的運動性能尚存在相當?shù)牟罹?。本文面向足式仿生機器人的關(guān)鍵基礎(chǔ)理論問題，以描述生物體動步態(tài)運動的經(jīng)典模型一一彈簧負載倒立擺(Spring-Loaded Inverted Pendulum, SLIP)作為低維運動空間的主要研究對象，將低維度SLIP模型動力學(xué)的解析化研究與控制和高維度足式機器人系統(tǒng)的降維作為研究主線，利用攝

3、動理論、動態(tài)逆理論和回歸映射等分析手段徹底解決低維 SLIP模型的運動控制；并以此為基礎(chǔ)將低維空間的控制成果衍化至高維機器人空間，進而統(tǒng)一解決單足、雙足、四足機器人的動步態(tài)控制，揭示以SLIP歸約模型為內(nèi)核的足式機器人運動控制機理的理論本質(zhì)，為全面提升足式機器人運動的高動態(tài)性、高穩(wěn)定性提供普適性解決方案。
　　本文首先以SLIP歸約模型為出發(fā)點，在統(tǒng)一化構(gòu)建SLIP模型的基礎(chǔ)上，引入量綱分析方法對模型進行預(yù)處理，消除其結(jié)構(gòu)參數(shù)的冗

4、余性。針對全被動SLIP模型支撐相動力學(xué)方程的非線性項導(dǎo)致二階不可積分的問題，采用基于小參數(shù)法的攝動技術(shù)求解支撐相動力學(xué)方程，獲得了具有封閉顯式數(shù)學(xué)格式的近似解析解。與文獻中已有近似解的性能對比證實了攝動解對SLIP模型的頂點具有更高的預(yù)測精度。通過構(gòu)建SLIP模型頂點回歸映射和不動點分析，建立了SLIP模型周期運動穩(wěn)定性的理論評判準則。
　　為進一步探究SLIP模型的結(jié)構(gòu)/運動參數(shù)與其運動性能的內(nèi)在聯(lián)系，建立了包括足-地接觸和運

5、動穩(wěn)定性在內(nèi)的SLIP模型運動性能評價指標。足-地接觸指標包含足-地接觸力峰值和足-地接觸力比率峰值兩項指標，對SLIP模型在支撐相期間的足-地接觸狀況進行定量描述；運動穩(wěn)定性指標包括不動點的吸引區(qū)域范圍、 Floquet乘數(shù)和最大容許擾動量三項指標，分別表征了SLIP模型周期運動對初值的敏感性、系統(tǒng)在初值偏差下的收斂速率以及對運動狀態(tài)擾動的抵抗能力。借助于借助于支撐相近似解析解對模型以腿部等效剛度為主的結(jié)構(gòu)參數(shù)和以觸地角度為主的運動參

6、數(shù)對上述指標的影響進行定量分析和綜合評估，并對所有分析數(shù)據(jù)進行參數(shù)變異測試以消除所獲得結(jié)果對模型參數(shù)選擇的依賴性。并以此為基礎(chǔ)，開展了全被動SLIP模型的運動自穩(wěn)定性研究。為解決SLIP模型自穩(wěn)定性存在的運動局限性，研究了基于支撐相近似解的SLIP模型頂點Dead-beat運動控制策略研究，實現(xiàn)了對SLIP模型頂點水平速率和騰空高度的解耦控制，提升了系統(tǒng)的運動性能。
　　在全被動SLIP模型的基礎(chǔ)上，提出了具有腿部驅(qū)動單元的欠驅(qū)動

7、SLIP模型。在模型支撐相的運動規(guī)劃層面，開展了基于質(zhì)心運動虛擬約束的矢狀面支撐相軌跡規(guī)劃研究，并設(shè)計基于Bfeier多項式的質(zhì)心軌跡實現(xiàn)了SLIP模型支撐相的對稱/非對稱運動。在運動控制層面，針對同一虛擬約束在直角坐標系和極坐標系下的數(shù)學(xué)形式差異造成質(zhì)心軌跡規(guī)劃與軌跡控制的矛盾，研究了基于動態(tài)逆理論的支撐相隱式軌跡跟蹤控制算法。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合局部狀態(tài)反饋線性化提出了欠驅(qū)動SLIP模型運動控制策略，在非規(guī)則路面下實現(xiàn)了SLIP模型的穩(wěn)

8、定運動控制問題。
　　對低維空間SLIP歸約模型的研究為高維足式機器人系統(tǒng)的運動控制奠定了充足的理論基礎(chǔ)。為解決低維約模型與高維機器人系統(tǒng)間控制模式轉(zhuǎn)化的核心問題，開展基于機器人任務(wù)空間的控制模式映射研究，實現(xiàn)了由SLIP歸約模型生成的期望軌跡到底層機器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動力矩分配。以此為基礎(chǔ)提出了一套完整的基于SLIP歸約模型的層次化運動控制架構(gòu)：在規(guī)劃層由SLIP歸約模型根據(jù)機器人與環(huán)境交互信息反饋在線生成質(zhì)心的期望運動軌跡；在執(zhí)行層

9、通過任務(wù)空間的控制模式映射實現(xiàn)對機器人具體關(guān)節(jié)的控制。在算法的應(yīng)用方面，分別針對典型的足式機器人設(shè)計基于任務(wù)空間的單、多目標層次化運動控制算法，實現(xiàn)了單足機器人跳躍步態(tài)、雙足機器人奔跑步態(tài)及四足機器人奔馳步態(tài)下的穩(wěn)定運動控制，并通過仿真實驗驗證了所提算法的有效性。
　　本文圍繞著SLIP歸約模型所開展的動力學(xué)解析化研究、參數(shù)化分析、頂點 Dead-beat運動控制以及欠驅(qū)動模型支撐相軌跡控制為基于SLIP模型的足式機器人運動控制系