基于欠驅(qū)動(dòng)性的雙足機(jī)器人高能效行走控制研究.pdf

1、雙足運(yùn)動(dòng)是人類的重要標(biāo)志，相比于其他運(yùn)動(dòng)形式，雙足運(yùn)動(dòng)有著更好的環(huán)境適應(yīng)性。學(xué)界認(rèn)為，雙足運(yùn)動(dòng)能力是機(jī)器人應(yīng)當(dāng)具有的最大特征之一。雙足機(jī)器人由于運(yùn)動(dòng)形式與人類接近，因此更為適合在人類的生存環(huán)境中與人類進(jìn)行協(xié)同工作，是未來幫助或替代人類工作的理想機(jī)器人形態(tài)。然而，機(jī)器人雙足行走能耗過高，難以連續(xù)工作，這已經(jīng)成為了阻礙機(jī)器人進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸問題。欠驅(qū)動(dòng)雙足機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)高能效行走的理想平臺(tái)，但由于系統(tǒng)不完全能控，給步態(tài)設(shè)計(jì)和控制器設(shè)計(jì)帶來了巨

2、大的挑戰(zhàn)。針對(duì)機(jī)器人雙足行走的能效性和穩(wěn)定性兩大問題，本文以欠驅(qū)動(dòng)雙足機(jī)器人為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了高能效的行走步態(tài)并提出了新的控制策略，提高了機(jī)器人雙足行走的效率和穩(wěn)定性。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴針對(duì)雙足機(jī)器人行走能量效率低下的問題，以帶有腳板的圓規(guī)式機(jī)器人為研究對(duì)象，在機(jī)器人的髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)分別加入了機(jī)械約束裝置和彈性儲(chǔ)能元件，采用恒值控制的方式，為機(jī)器人設(shè)計(jì)了高能效的行走極限環(huán)步態(tài)。通過與虛約束方式生成的極限環(huán)步態(tài)比較，證實(shí)了

3、該步態(tài)具有高能效性。通過龐加萊回歸映射的方法驗(yàn)證了極限環(huán)的穩(wěn)定性，并利用基于事件的控制策略對(duì)開環(huán)不穩(wěn)定的極限環(huán)進(jìn)行了鎮(zhèn)定，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的高能效穩(wěn)定行走。⑵針對(duì)欠驅(qū)動(dòng)自由度為1的平面機(jī)器人，設(shè)計(jì)了通用的控制策略對(duì)參考極限環(huán)進(jìn)行跟蹤。欠驅(qū)動(dòng)自由度的存在加大了系統(tǒng)的控制難度，根據(jù)機(jī)器人自身動(dòng)力學(xué)機(jī)理，本文提出了以系統(tǒng)角動(dòng)量為跟蹤依據(jù)的坐標(biāo)變換方法，將系統(tǒng)維數(shù)降低，使問題得到簡(jiǎn)化。針對(duì)降維后的系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)了近似線性化與自抗擾控制相結(jié)合的控制

4、策略。當(dāng)誤差較小時(shí)，可以將非線性的模型誤差忽略不計(jì)，利用近似線性化的方式進(jìn)行控制器設(shè)計(jì);當(dāng)系統(tǒng)誤差較大時(shí)，則可利用狀態(tài)擴(kuò)張觀測(cè)器的觀測(cè)值對(duì)系統(tǒng)的模型誤差進(jìn)行動(dòng)態(tài)線性補(bǔ)償，設(shè)計(jì)新的反饋控制器。通過這樣的控制策略，可以對(duì)目標(biāo)極限環(huán)進(jìn)行跟蹤。通過與基于事件的控制方法對(duì)比，證實(shí)了本控制方法在收斂速度和收斂域上的優(yōu)越性。⑶針對(duì)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人行走適應(yīng)性差的問題，設(shè)計(jì)了變坡度路面的高能效行走切換控制策略。本文采用時(shí)間放縮的方法為帶有腳板的圓規(guī)式機(jī)器人針

5、對(duì)特定的坡度設(shè)計(jì)了高能效的行走步態(tài)。利用這些步態(tài)作為基礎(chǔ)步態(tài)，根據(jù)受控對(duì)稱性原理，將基礎(chǔ)步態(tài)進(jìn)行推廣，通過簡(jiǎn)潔的變換，生成適應(yīng)不同坡度的過渡步態(tài)。設(shè)計(jì)了基于反饋線性化和時(shí)間放縮控制的切換控制器，使機(jī)器人在不同的坡度上跟蹤不同的參考軌跡，保證機(jī)器人在變坡度路面上高能效且穩(wěn)定地行走。以NAO機(jī)器人作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，針對(duì)其動(dòng)力學(xué)模型利用時(shí)間放縮的方法設(shè)計(jì)了平地及上下坡的行走步態(tài)，設(shè)計(jì)了控制器使NAO機(jī)器人可以由直立的零速度狀態(tài)收斂到目標(biāo)步態(tài)，實(shí)現(xiàn)