基于阻抗控制的多足步行機(jī)器人腿部柔順控制研究.pdf

1、近年來，多足步行機(jī)器人因其具有良好越障和避障的能力，以及在復(fù)雜地表上行走的較強(qiáng)的適應(yīng)性，已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。理論上良好的環(huán)境適應(yīng)性和運(yùn)動(dòng)靈活性使得多足步行機(jī)器人在未來必然有著廣闊的應(yīng)用前景。多足步行機(jī)器人靈活的運(yùn)動(dòng)能力來源于腿部大量的自由度，所以腿部柔順控制是多足步行機(jī)器人能否順利行走和執(zhí)行任務(wù)的關(guān)鍵，同時(shí)也是步行機(jī)器人能否快速行走、小跑甚至奔跑的前提。但是，當(dāng)前多足步行機(jī)器人只具有較差的腳力跟蹤能力和腿部柔順控制能力，很難實(shí)現(xiàn)在

2、未知環(huán)境中的復(fù)雜任務(wù)，因而大大影響了其推廣和實(shí)用化進(jìn)程。針對(duì)這一問題，本文以多足步行機(jī)器人滿足靈活運(yùn)動(dòng)和降低能耗為目標(biāo)，提出了基于能耗和目標(biāo)工作空間腿部優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。并以此為基礎(chǔ)，提出了基于自適應(yīng)-模糊控制的柔順控制策略，在多足步行機(jī)器人腿部柔順控制平臺(tái)上進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)及分析。
　　第1章介紹了多足步行機(jī)器人主要應(yīng)用場合和應(yīng)用前景，提出了本課題的研究意義。在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)描述了國內(nèi)外多足步行機(jī)器人發(fā)展歷程和進(jìn)展。并且對(duì)當(dāng)前國內(nèi)外機(jī)

3、器人柔順控制技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)的描述。此外，還重點(diǎn)介紹了國內(nèi)外多足步行機(jī)器人領(lǐng)域中柔順控制的研究現(xiàn)狀，分析了這一領(lǐng)域目前主要的研究方向和研究熱點(diǎn)，最后，提出了本課題的主要研究內(nèi)容。
　　第2章首先介紹了步行機(jī)器人腿部柔順控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并對(duì)機(jī)器人平臺(tái)硬件配置和軟件架構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的描述。然后并建立了腿部模型和機(jī)器人足端與環(huán)境的等效模型，通過進(jìn)行D-H建模和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，對(duì)關(guān)節(jié)空間下機(jī)器人足端正/逆運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了求解。在此基礎(chǔ)上，給出了

4、半球形足端正/逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的修正算法。針對(duì)現(xiàn)有半球形足端軌跡修正算法的缺點(diǎn)，提出了基于最小二乘支持向量機(jī)(LS-SVM)的半球形足端軌跡修正算法。
　　第3章根據(jù)多足機(jī)器人實(shí)際運(yùn)動(dòng)空間的冗余性對(duì)機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)造成多余尺寸和能耗的問題，提出了基于能耗和工作空間的三關(guān)節(jié)腿部結(jié)構(gòu)通用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。通過對(duì)多足機(jī)器人腿部系統(tǒng)能耗分析和機(jī)器人足端空間運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，建立了不等式約束下的非線性規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用增廣拉格朗日遺傳算法來尋找全局優(yōu)化解

5、。通過與優(yōu)化前的腿部結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)尺寸和關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍明顯減小，運(yùn)動(dòng)空間的冗余性得到改善。通過該方法得到的結(jié)果能滿足實(shí)際工作的要求、具有較好的可操作性，并且在滿足轉(zhuǎn)向和越障要求的前提下能夠達(dá)到減小系統(tǒng)能耗的目的。
　　第4章針對(duì)多足步行機(jī)器人腿部柔順控制的問題，提出了一種基于自適應(yīng)阻抗控制算法的腿部柔順控制策略。在建立多足機(jī)器人單腿位置控制模型和阻抗控制模型的基礎(chǔ)上，分析了阻抗控制的穩(wěn)態(tài)誤差，推導(dǎo)了間接自適應(yīng)控制算法。該

6、算法通過李雅普諾夫漸進(jìn)穩(wěn)定定理實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境參數(shù)的估計(jì)，達(dá)到對(duì)期望腳力的跟隨。通過仿真與實(shí)驗(yàn)分析，該算法能夠在實(shí)際應(yīng)用中快速的估算期望腳力，實(shí)現(xiàn)已知環(huán)境中足端腳力的閉環(huán)控制，并能有效的減小足端與地面的接觸沖擊。
　　第5章針對(duì)在未知環(huán)境下進(jìn)行柔順控制的問題，提出了一種基于自適應(yīng)-模糊控制算法的腿部柔順控制策略。通過對(duì)自適應(yīng)控制參數(shù)進(jìn)行分析，運(yùn)用模糊控制算法對(duì)其參數(shù)進(jìn)行在線修正，根據(jù)輸入與輸出的差異關(guān)系實(shí)時(shí)調(diào)整參數(shù)以得到滿意的系統(tǒng)響應(yīng)。

7、本章還對(duì)阻抗控制的穩(wěn)定性和自適應(yīng)控制算法魯棒性進(jìn)行了分析，并給出了保持系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)環(huán)境位置偏差的上下界。通過比較分析，證明了自適應(yīng)-模糊算法不僅在環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時(shí)能夠很好跟隨期望接觸力，而且在軀體高度波動(dòng)的情況下依然能夠保證較小的接觸沖擊力和較高的穩(wěn)態(tài)精度。在此基礎(chǔ)上還進(jìn)行了自適應(yīng)-模糊算法下的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)腳力控制實(shí)驗(yàn)以及不同控制算法、不同環(huán)境下的腳力控制的比較實(shí)驗(yàn)，并對(duì)存在干擾情況下的腳力控制以及腳力控制對(duì)于軀體高度和系統(tǒng)能耗的影響等一