兩足溜冰機器人姿態(tài)穩(wěn)定性與運動控制的研究.pdf

1、兩足溜冰機器人作為一種混合結(jié)構(gòu)式移動機器人，是提高機器人機動性和節(jié)省能源的一條重要途徑。同時溜冰機器人又是一個很好的研究模型，為控制理論的應(yīng)用及運動學(xué)、動力學(xué)問題的研究提供了廣闊的天地。溜冰機器人是一個多變量、強耦合、非線性和變結(jié)構(gòu)的復(fù)雜動力學(xué)系統(tǒng)，其變姿態(tài)結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性及產(chǎn)生穩(wěn)定溜冰運動所需解決的動態(tài)平衡問題，對于控制理論及動力學(xué)問題的研究來說具有很大的挑戰(zhàn)性。作者在參與研制國內(nèi)第一臺兩足溜冰機器人樣機的基礎(chǔ)上，深入研究了溜冰機器人的

2、姿態(tài)穩(wěn)定性、步態(tài)設(shè)計以及溜冰運動控制等幾個問題，為兩足溜冰機器人的步態(tài)設(shè)計和提高溜冰姿態(tài)穩(wěn)定性提供了理論依據(jù)。本文針對溜冰機器人的姿態(tài)穩(wěn)定性與步態(tài)規(guī)劃、溜冰運動控制系統(tǒng)等關(guān)鍵問題進行研究，主要完成了以下工作： 從仿生學(xué)的角度出發(fā)設(shè)計兩足溜冰機器人的機械結(jié)構(gòu)，根據(jù)溜冰運動的特點配置運動自由度，改進了兩足溜冰機器人樣機的設(shè)計。溜冰機器人的每條腿上配置有6個自由度，可以實現(xiàn)基本的溜冰動作。接著我們研究溜冰機器人的運動學(xué)以及逆運動學(xué)問題

3、，采用Denavit-Hartenberg規(guī)則建立了溜冰機器人的運動學(xué)模型，并求得了運動學(xué)逆問題的解析解。 兩足溜冰機器人的動力學(xué)建模是進行溜冰步態(tài)規(guī)劃和運動控制的基礎(chǔ)，同時也是溜冰機器人研究的難點之一。我們從解耦的角度出發(fā)，去除側(cè)向和前向運動耦合的因素，在溜冰機器人運動模型的基礎(chǔ)上將溜冰運動解耦為前向和側(cè)向平面內(nèi)的兩個運動，推導(dǎo)出了前向和側(cè)向的動力學(xué)顯式方程，該動力學(xué)方程不僅可以用來計算關(guān)節(jié)的驅(qū)動力矩，控制機器人運動，而且為步

4、態(tài)規(guī)劃提供了重要依據(jù)。本文提出了溜冰機器人的姿態(tài)及姿態(tài)穩(wěn)定性的概念，并仿照人的溜冰運動提出兩種基本的溜冰步態(tài)形式，即前進葫蘆形溜冰和單腿蹬地溜冰步態(tài)(SLR)。我們將ZMP理論應(yīng)用到溜冰機器人的姿態(tài)穩(wěn)定性分析中，得到了溜冰運動的姿態(tài)穩(wěn)定性判據(jù)。 根據(jù)溜冰姿態(tài)穩(wěn)定性判據(jù)，本文設(shè)計了姿態(tài)穩(wěn)定的單腿蹬地溜冰運動步態(tài)。首先根據(jù)機器人溜冰運動過程中應(yīng)滿足的約束條件，設(shè)計雙腳和軀干的運動軌跡，然后由幾何約束，計算其它各關(guān)節(jié)的運動軌跡，再確定

5、運行過程中的ZMP軌跡。在可變參數(shù)的有效范圍內(nèi)通過遍歷搜索，找到穩(wěn)定裕度最大的軌跡作為規(guī)劃結(jié)果。 我們對溜冰步態(tài)從能量消耗最優(yōu)的觀點上進行了優(yōu)化設(shè)計，提出了基于遞階式遺傳算法的溜冰步態(tài)優(yōu)化設(shè)計方法。求得能量消耗最少的溜冰步態(tài)有兩個方面的重要意義：首先，溜冰機器人被設(shè)計成自主式移動機器人，如果溜冰步態(tài)所需能量消耗最少，就意味著機器人可以自主運動的時間長；其二是根據(jù)HarvardUniversity的著名仿生學(xué)家T.A.MeMaho

6、n的研究成果，人類的步行運動從生物力學(xué)的觀點上來看是能量消耗最少的。我們有理由相信人的溜冰運動也是以最少的能量輸入產(chǎn)生最大前進運動速度為目的的一種運動方式。 本文研究了溜冰機器人的溜冰運動控制方法，提出了由關(guān)節(jié)空間位置控制器、地面反力控制器組成的運動控制系統(tǒng)。位置控制器主要完成溜冰機器人關(guān)節(jié)空間中的位置伺服控制，鑒于溜冰機器人系統(tǒng)本身的高度非線性及運動過程中的大量隨機干擾以及系統(tǒng)建模誤差，我們構(gòu)建了一種自適應(yīng)變結(jié)構(gòu)控制器。系統(tǒng)不

7、確定性采用自適應(yīng)控制進行在線辨識，同時非參數(shù)不確定和估計誤差采用變結(jié)構(gòu)項消除，并且魯棒增益隨著辨識參數(shù)的收斂而遞減。地面反力的存在有可能導(dǎo)致溜冰運動失敗，地面反力的阻抗控制主要消除地面反作用力對姿態(tài)穩(wěn)定性的影響。阻抗控制是一種主動柔順控制方法，通過調(diào)整反饋位置誤差、速度誤差來達到控制力的目的。溜冰機器人的阻抗控制即通過改變溜冰機器人支撐腳的負載阻抗來保證機器人以一定的柔性與地面接觸，這樣可以提高溜冰運動的姿態(tài)穩(wěn)定性。 最后我們構(gòu)