隨機(jī)不確定擾動(dòng)下平面雙足機(jī)器人動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性研究.pdf

1、論文結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“雙足機(jī)器人多源隨機(jī)不確定性建模與智能控制及其動(dòng)力學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)”(11372270)，開(kāi)展了隨機(jī)不確定擾動(dòng)下平面雙足機(jī)器人動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性研究:研究了隨機(jī)不確定擾動(dòng)下平面雙足機(jī)器人混合動(dòng)力學(xué)與控制的建模方法;分析了隨機(jī)不確定參數(shù)、關(guān)節(jié)摩擦等因素在平面雙足機(jī)器人驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)中產(chǎn)生的隨機(jī)不確定擾動(dòng);基于平面雙足機(jī)器人混合動(dòng)力學(xué)模型，研究了隨機(jī)不確定擾動(dòng)下采用開(kāi)環(huán)控制方法（Open-Loop Control Method，

2、OL方法）的平面雙足機(jī)器人動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性;提出了反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-混合零動(dòng)態(tài)(Back Propagation Neural Network-Hybrid Zero Dynamics，BPNN-HZD)、支持向量機(jī)-混合零動(dòng)態(tài)(Support Vector Machine-Hybrid Zero Dynamics，SVM-HZD)反饋控制方法，優(yōu)化了隨機(jī)不確定擾動(dòng)下平面雙足機(jī)器人動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性。論文研究豐富了機(jī)器人動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性研究的理

3、論方法，有效改善了隨機(jī)不確定擾動(dòng)下平面雙足機(jī)器人動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性，對(duì)機(jī)器人的穩(wěn)定行走具有重要意義。
　　本文的研究要點(diǎn)如下:
　　(1)研究了隨機(jī)不確定擾動(dòng)下平面雙足機(jī)器人混合動(dòng)力學(xué)與控制的建模方法。給出了平面雙足機(jī)器人的模型假設(shè)和運(yùn)動(dòng)假設(shè)，以及用于隨機(jī)不確定因素組合的Taguchi正交方法;采用Lagrange方法推導(dǎo)建立了不含擾動(dòng)、隨機(jī)不確定擾動(dòng)下雙足機(jī)器人混合動(dòng)力學(xué)模型;分別給出了控制雙足機(jī)器人行走的OL方法、混合零動(dòng)態(tài)

4、(Hybrid Zero Dynamics，HZD)反饋控制方法，提出了具有擾動(dòng)補(bǔ)償器的機(jī)器人反饋控制方法，為隨機(jī)不確定擾動(dòng)下機(jī)器人動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性研究提供了理論基礎(chǔ)。
　　(2)研究了平面雙足機(jī)器人的隨機(jī)不確定擾動(dòng)。建立了具有隨機(jī)不確定參數(shù)的平面五桿雙足機(jī)器人混合動(dòng)力學(xué)模型，采用Monte Carlo方法、Taguchi正交方法研究了單個(gè)、多個(gè)隨機(jī)不確定參數(shù)在機(jī)器人驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)中產(chǎn)生的隨機(jī)不確定擾動(dòng)，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，依據(jù)隨機(jī)不確定擾

5、動(dòng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，隨機(jī)不確定參數(shù)可分為強(qiáng)敏感性參數(shù)、敏感性參數(shù)和不敏感性參數(shù)，強(qiáng)敏感性參數(shù)相對(duì)于其他參數(shù)而言能夠產(chǎn)生更大的隨機(jī)不確定擾動(dòng)。分別研究了機(jī)器人關(guān)節(jié)摩擦、電磁干擾在驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)中產(chǎn)生的隨機(jī)不確定擾動(dòng)，研究發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)速度方向發(fā)生變化時(shí)，關(guān)節(jié)摩擦產(chǎn)生的隨機(jī)不確定擾動(dòng)方向也會(huì)發(fā)生變化;電磁干擾可以產(chǎn)生連續(xù)性、階段性的隨機(jī)不確定擾動(dòng)。需要采取必要措施對(duì)可能產(chǎn)生隨機(jī)不確定擾動(dòng)的因素進(jìn)行限制，以降低隨機(jī)不確定擾動(dòng)的出現(xiàn)，進(jìn)而減少機(jī)器人動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的波

6、動(dòng)。
　　(3)研究了隨機(jī)不確定擾動(dòng)下采用OL方法的平面雙足機(jī)器人動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性。建立了平面五桿雙足機(jī)器人正向混合動(dòng)力學(xué)模型;分別將周期擾動(dòng)、脈沖擾動(dòng)以及采用Taguchi正交方法組合的隨機(jī)不確定擾動(dòng)與理想輸入力矩融合，采用OL方法將其輸入機(jī)器人各驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，得到了機(jī)器人動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，分析了機(jī)器人動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性。由研究結(jié)果可以得到:在支撐腿的膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)，以及擺動(dòng)腿髖關(guān)節(jié)施加擾動(dòng)時(shí)，機(jī)器人會(huì)發(fā)生更大的波動(dòng);擺動(dòng)腿的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的輸

7、出相對(duì)于其他關(guān)節(jié)的輸出而言更為敏感;當(dāng)隨機(jī)不確定擾動(dòng)幅值較大時(shí)，機(jī)器人會(huì)出現(xiàn)逐漸偏離預(yù)設(shè)步態(tài)軌跡的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性，因此一方面需要精確監(jiān)測(cè)機(jī)器人敏感性輸入、輸出變量，另一方面需要提出適用于隨機(jī)不確定擾動(dòng)的反饋控制方法對(duì)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性進(jìn)行優(yōu)化。
　　(4)提出了一種BPNN-HZD方法，優(yōu)化了隨機(jī)不確定擾動(dòng)下結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的平面雙足機(jī)器人動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性。建立了平面三桿雙足機(jī)器人混合動(dòng)力學(xué)模型，采用HZD方法對(duì)不含擾動(dòng)、隨機(jī)不確定擾

8、動(dòng)下機(jī)器人進(jìn)行控制，研究了機(jī)器人動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性;基于BPNN構(gòu)建了擾動(dòng)補(bǔ)償器，提出了一種BPNN-HZD方法，研究了隨機(jī)不確定擾動(dòng)下采用該方法的雙足機(jī)器人動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性。研究結(jié)果表明:機(jī)器人軀干與縱坐標(biāo)的夾角及其角速度相對(duì)于其他變量而言更為敏感;隨機(jī)不確定擾動(dòng)下機(jī)器人各關(guān)節(jié)的角度是連續(xù)變化的，但各關(guān)節(jié)的角速度出現(xiàn)了瞬時(shí)突變;隨機(jī)不確定擾動(dòng)下，BPNN-HZD方法具有較強(qiáng)的抗擾動(dòng)能力，能夠有效優(yōu)化結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的機(jī)器人動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性。

9、>　　(5)提出了一種SVM-HZD方法，優(yōu)化了隨機(jī)不確定擾動(dòng)下結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的平面雙足機(jī)器人動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性。建立了平面五桿雙足機(jī)器人混合動(dòng)力學(xué)模型;基于SVM構(gòu)建了擾動(dòng)補(bǔ)償器，提出了一種優(yōu)化機(jī)器人動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性的SVM-HZD方法;在隨機(jī)不確定擾動(dòng)下，分別采用HZD方法、SVM-HZD方法對(duì)雙足機(jī)器人進(jìn)行控制，研究了機(jī)器人動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性。仿真結(jié)果表明:隨機(jī)不確定擾動(dòng)下，機(jī)器人支撐腿膝關(guān)節(jié)的夾角以及軀干與坐標(biāo)軸的夾角較為敏感;受隨機(jī)不確定