欠驅(qū)動雙足機(jī)器人高效行走控制研究.pdf

1、相對于輪式運(yùn)動和履帶式運(yùn)動，雙足運(yùn)動有著較好的環(huán)境適應(yīng)能力，并且基于雙足運(yùn)動的移動機(jī)器人具有接近于人類的運(yùn)動方式，可以更好地代替人類從事一些具有危險性的工作。然而，目前雙足機(jī)器人運(yùn)動過程中的高能耗問題已經(jīng)成為了阻礙雙足機(jī)器人應(yīng)用的一個重要問題，因此，高效行走問題成為了雙足運(yùn)動控制中的一個熱點問題。本文主要從關(guān)節(jié)輔助裝置以及雙足行走控制器方面加以考慮，旨在使雙足機(jī)器人可以形成高效穩(wěn)定的行走步態(tài)。
　　首先，本文以踝關(guān)節(jié)欠驅(qū)動的圓規(guī)式

2、機(jī)器人為研究對象，研究安裝于機(jī)器人胯關(guān)節(jié)處的機(jī)械約束裝置對于行走高效性以及穩(wěn)定性的影響。通過在相同的恒值力矩輸入的情況下對比不同的關(guān)節(jié)限位方式，首次得出了回擺限位更加適合機(jī)器人在水平路面上行走的結(jié)論。通過與時間放縮控制以及虛約束步態(tài)生成方法相對比，揭示了恒力矩驅(qū)動結(jié)合回擺限位方式可以實現(xiàn)更加高效的行走步態(tài)。通過分析不同步長以及不同的力矩輸入下行走步態(tài)的穩(wěn)定性，可以發(fā)現(xiàn):隨著步長的增加，行走步態(tài)的穩(wěn)定性逐漸由開環(huán)穩(wěn)定變?yōu)椴环€(wěn)定。對于不穩(wěn)定

3、的大步長行走步態(tài)，提出了基于事件的反饋控制方法加以鎮(zhèn)定，實現(xiàn)了高效穩(wěn)定的行走步態(tài)。
　　其次，本文針對踝關(guān)節(jié)欠驅(qū)動機(jī)器人穩(wěn)定行走的控制方法進(jìn)行了研究。將比較常用的踝關(guān)節(jié)欠驅(qū)動平面雙足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了總結(jié)與分類，以最常用的五連桿型雙足機(jī)器人的動力學(xué)模型為例，揭示了踝關(guān)節(jié)欠驅(qū)動平面雙足機(jī)器人行走過程中圍繞支撐點的角動量三階導(dǎo)數(shù)與控制量相關(guān)，并且根據(jù)這一特征，首次提出了一種基于移動龐加萊截面的橫向坐標(biāo)變換方法。根據(jù)這一方法，機(jī)器人行走

4、過程中連續(xù)階段的軌跡跟蹤問題可以轉(zhuǎn)化為一個具有不確定項的線性定常系統(tǒng)關(guān)于坐標(biāo)原點的穩(wěn)定控制問題。之后給出了結(jié)合龐加萊映射的反饋控制器設(shè)計方法，得到用于步態(tài)鎮(zhèn)定的狀態(tài)反饋控制器。然后以胯關(guān)節(jié)帶有機(jī)械約束的圓規(guī)式機(jī)器人為例進(jìn)行仿真，結(jié)果表明基于橫向坐標(biāo)變換的控制器可以將開環(huán)不穩(wěn)定的行走步態(tài)進(jìn)行鎮(zhèn)定。通過將橫向坐標(biāo)變換的反饋控制器與基于事件的反饋控制器進(jìn)行對比，本文提出的方法在收斂域和收斂速度方面均具有一定的優(yōu)勢。
　　最后，本文將帶有

5、機(jī)械約束裝置的高效行走方式推廣到踝關(guān)節(jié)欠驅(qū)動的三維圓規(guī)式機(jī)器人模型中。該機(jī)器人在踝關(guān)節(jié)處存在兩個欠驅(qū)動自由度以及一個主動胯關(guān)節(jié)自由度。針對不穩(wěn)定的開環(huán)行走步態(tài)，本文首次提出了一種離散橫向線性化的方法將機(jī)器人極限環(huán)步態(tài)的鎮(zhèn)定問題近似為離散周期線性系統(tǒng)的鎮(zhèn)定問題，根據(jù)離散線性二次型調(diào)節(jié)器的設(shè)計方法求解出周期反饋控制器，將目標(biāo)極限環(huán)進(jìn)行鎮(zhèn)定。仿真結(jié)果表明，本文的方法可以控制三維圓規(guī)式機(jī)器人穩(wěn)定行走。通過與常規(guī)的基于事件的反饋控制進(jìn)行對比，本文