采用串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器的仿生腿足式機(jī)器人跳躍與自適應(yīng)平衡控制研究.pdf

1、腿足式機(jī)器人是移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。與其他類型移動(dòng)機(jī)器人相比，腿足式機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下執(zhí)行野外偵測探查、災(zāi)區(qū)救援、崎嶇路面運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)時(shí)具有顯著的優(yōu)勢，但也面對(duì)極大的挑戰(zhàn)。近年來，腿足式機(jī)器人研究取得了重要進(jìn)展，但在動(dòng)態(tài)平衡能力、抗擾動(dòng)能力以及續(xù)航時(shí)間等方面仍存在技術(shù)瓶頸。
　　本文在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于變剛度關(guān)節(jié)的仿生單腿機(jī)器人動(dòng)態(tài)平衡控制與優(yōu)化”的支持下，以提高腿足式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和運(yùn)動(dòng)能效為目標(biāo)，以具有

2、自適應(yīng)自學(xué)習(xí)特性的控制理論與方法作為手段，研究腿足式機(jī)器人的關(guān)節(jié)控制、跑跳控制、抗擾動(dòng)控制以及動(dòng)態(tài)平衡控制問題。首先，本文針對(duì)剛性關(guān)節(jié)力矩輸出抗擾動(dòng)性差、能量利用效率低的問題，設(shè)計(jì)了一種具有被動(dòng)柔順特性的串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器(Series Elastic Actuator，SEA)，并提出了一種采用串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)腿足式機(jī)器人高能效跑跳的控制方法。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)腿足式機(jī)器人控制器參數(shù)調(diào)節(jié)困難、控制器性能對(duì)機(jī)器人物理參數(shù)變化適應(yīng)性差的問題

3、，以提高控制器的自適應(yīng)自學(xué)習(xí)能力作為主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)，通過模擬人體在控制身體運(yùn)動(dòng)過程中的感知學(xué)習(xí)過程，提出了一套具有自適應(yīng)自學(xué)習(xí)能力的關(guān)節(jié)控制、平衡控制以及抗擾動(dòng)控制算法。通過在串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)單關(guān)節(jié)、采用串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的單腿機(jī)器人和雙足機(jī)器人上進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本文所提出的控制方法對(duì)物理參數(shù)變化具有較強(qiáng)的魯棒性，提高了腿足式機(jī)器人跑跳運(yùn)動(dòng)的自適應(yīng)性。
　　本文的主要研究內(nèi)容及貢獻(xiàn)包括:
　　1.設(shè)計(jì)了一種串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)標(biāo)定方法

4、，并針對(duì)變負(fù)載條件下的串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)伺服控制精度降低的問題，設(shè)計(jì)了一種基于擴(kuò)展卡爾曼濾波(Extended Kalman Filter,EKF)觀測器的自適應(yīng)關(guān)節(jié)速度/位置控制器，能夠快速穩(wěn)定地對(duì)關(guān)節(jié)負(fù)載變化進(jìn)行適應(yīng)。該控制方法的有效性和適應(yīng)性通過串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)單關(guān)節(jié)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　2.針對(duì)不同結(jié)構(gòu)的腿足式機(jī)器人需要編寫不同辨識(shí)程序的問題，提出了一種通用的腿足式機(jī)器人系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)迭代辨識(shí)方法，能夠根據(jù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)自動(dòng)生

5、成辨識(shí)模型。該辨識(shí)方法的有效性和收斂性通過仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)物實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　3.針對(duì)虛擬模型控制（Virtual Model Control，VMC）的雙足機(jī)器人在變負(fù)載及擾動(dòng)條件下姿態(tài)控制精度降低的問題，推導(dǎo)了機(jī)器人在雙足站立相的等效辨識(shí)模型，提出了一種將在線辨識(shí)和虛擬模型控制相結(jié)合的自適應(yīng)柔順姿態(tài)控制方法，能夠在不降低機(jī)器人柔順性的同時(shí)保證姿態(tài)控制精度。所提方法的抗擾動(dòng)能力以及對(duì)變負(fù)載狀況的適應(yīng)能力在采用串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的四

6、自由度雙足機(jī)器人上進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　4.針對(duì)采用串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的腿足式機(jī)器人跑跳過程中，關(guān)節(jié)無法有效跟蹤設(shè)定力矩的問題，提出了一種基于角沖量跟蹤誤差評(píng)價(jià)關(guān)節(jié)力矩伺服性能的指標(biāo)，以及一種通過模擬不同關(guān)節(jié)剛度進(jìn)行彈跳的方法，實(shí)現(xiàn)了滿足力矩伺服性能約束的跑跳運(yùn)動(dòng)控制。該方法的有效性在帶腳踝的單腿以及雙足機(jī)器人上進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了平均CoT(Cost of Transport)為0.38的高能效連續(xù)跳躍。
　　5.針對(duì)采用串聯(lián)彈性