欠驅動雙足機器人高效行走控制研究.pdf

1、相對于輪式運動和履帶式運動，雙足運動有著較好的環(huán)境適應能力，并且基于雙足運動的移動機器人具有接近于人類的運動方式，可以更好地代替人類從事一些具有危險性的工作。然而，目前雙足機器人運動過程中的高能耗問題已經(jīng)成為了阻礙雙足機器人應用的一個重要問題，因此，高效行走問題成為了雙足運動控制中的一個熱點問題。本文主要從關節(jié)輔助裝置以及雙足行走控制器方面加以考慮，旨在使雙足機器人可以形成高效穩(wěn)定的行走步態(tài)。
　　首先，本文以踝關節(jié)欠驅動的圓規(guī)式

2、機器人為研究對象，研究安裝于機器人胯關節(jié)處的機械約束裝置對于行走高效性以及穩(wěn)定性的影響。通過在相同的恒值力矩輸入的情況下對比不同的關節(jié)限位方式，首次得出了回擺限位更加適合機器人在水平路面上行走的結論。通過與時間放縮控制以及虛約束步態(tài)生成方法相對比，揭示了恒力矩驅動結合回擺限位方式可以實現(xiàn)更加高效的行走步態(tài)。通過分析不同步長以及不同的力矩輸入下行走步態(tài)的穩(wěn)定性，可以發(fā)現(xiàn):隨著步長的增加，行走步態(tài)的穩(wěn)定性逐漸由開環(huán)穩(wěn)定變?yōu)椴环€(wěn)定。對于不穩(wěn)定

3、的大步長行走步態(tài)，提出了基于事件的反饋控制方法加以鎮(zhèn)定，實現(xiàn)了高效穩(wěn)定的行走步態(tài)。
　　其次，本文針對踝關節(jié)欠驅動機器人穩(wěn)定行走的控制方法進行了研究。將比較常用的踝關節(jié)欠驅動平面雙足機器人的結構進行了總結與分類，以最常用的五連桿型雙足機器人的動力學模型為例，揭示了踝關節(jié)欠驅動平面雙足機器人行走過程中圍繞支撐點的角動量三階導數(shù)與控制量相關，并且根據(jù)這一特征，首次提出了一種基于移動龐加萊截面的橫向坐標變換方法。根據(jù)這一方法，機器人行走

4、過程中連續(xù)階段的軌跡跟蹤問題可以轉化為一個具有不確定項的線性定常系統(tǒng)關于坐標原點的穩(wěn)定控制問題。之后給出了結合龐加萊映射的反饋控制器設計方法，得到用于步態(tài)鎮(zhèn)定的狀態(tài)反饋控制器。然后以胯關節(jié)帶有機械約束的圓規(guī)式機器人為例進行仿真，結果表明基于橫向坐標變換的控制器可以將開環(huán)不穩(wěn)定的行走步態(tài)進行鎮(zhèn)定。通過將橫向坐標變換的反饋控制器與基于事件的反饋控制器進行對比，本文提出的方法在收斂域和收斂速度方面均具有一定的優(yōu)勢。
　　最后，本文將帶有

5、機械約束裝置的高效行走方式推廣到踝關節(jié)欠驅動的三維圓規(guī)式機器人模型中。該機器人在踝關節(jié)處存在兩個欠驅動自由度以及一個主動胯關節(jié)自由度。針對不穩(wěn)定的開環(huán)行走步態(tài)，本文首次提出了一種離散橫向線性化的方法將機器人極限環(huán)步態(tài)的鎮(zhèn)定問題近似為離散周期線性系統(tǒng)的鎮(zhèn)定問題，根據(jù)離散線性二次型調節(jié)器的設計方法求解出周期反饋控制器，將目標極限環(huán)進行鎮(zhèn)定。仿真結果表明，本文的方法可以控制三維圓規(guī)式機器人穩(wěn)定行走。通過與常規(guī)的基于事件的反饋控制進行對比，本文