兼顧穩(wěn)定與靈活的欠驅(qū)動(dòng)雙足機(jī)器人奔跑運(yùn)動(dòng)控制研究.pdf

1、欠驅(qū)動(dòng)雙足機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)高速高效雙足運(yùn)動(dòng)的良好平臺，但其穩(wěn)定性與靈活性一直是控制領(lǐng)域的難點(diǎn)?，F(xiàn)今快速奔跑欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人往往只具備單一固定步態(tài)，缺乏對步長和步速的調(diào)節(jié)，在受到外界擾動(dòng)或不平整地面環(huán)境時(shí)極易摔倒。針對這些難點(diǎn)，本文以欠驅(qū)動(dòng)奔跑機(jī)器人為研究對象，設(shè)計(jì)了一系列欠驅(qū)動(dòng)控制策略并提出一類新的奔跑運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)則，兼顧了欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人穩(wěn)定性與靈活性的運(yùn)動(dòng)指標(biāo)。本文研究的工作集中在以下三個(gè)方面:
　　首先，針對多自由欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人往往只具有單一步

2、態(tài)，難以進(jìn)行步態(tài)調(diào)節(jié)的缺陷，本文設(shè)計(jì)了欠驅(qū)動(dòng)自由度為2的四連桿被動(dòng)機(jī)器人，這個(gè)機(jī)器人在平整地面上存在一個(gè)不需要外部控制輸入的被動(dòng)極限環(huán)。在這個(gè)模型上結(jié)合受控的拉格朗日方法、基于事件的方法和能量成形控制，實(shí)現(xiàn)了欠驅(qū)動(dòng)自由度為2的奔跑機(jī)器人穩(wěn)定的步態(tài)調(diào)節(jié)，增強(qiáng)了欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)靈活性。
　　其次，機(jī)器人系統(tǒng)穩(wěn)定性要求其狀態(tài)為周期性極限環(huán)，而靈活性允許其狀態(tài)為任意非周期軌跡。針對奔跑過程中穩(wěn)定性與靈活性要求的矛盾，本文提出一類新的奔跑

3、運(yùn)動(dòng)性能指標(biāo):奔跑持續(xù)性指標(biāo)，以保證機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)的奔跑運(yùn)動(dòng)而不摔倒。這與機(jī)器人實(shí)際平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)要求相符，為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人靈活多樣的運(yùn)動(dòng)形式提供理論依據(jù)。在此指標(biāo)下提出了奔跑持續(xù)性準(zhǔn)則，基于彈簧-倒立擺模型研究機(jī)器人質(zhì)心位置、速度以及地面反作用力間的相互關(guān)系，并計(jì)算奔跑可行狀態(tài)的集合。當(dāng)機(jī)器人系統(tǒng)狀態(tài)始終在奔跑可行集內(nèi)，機(jī)器人即進(jìn)行奔跑可持續(xù)運(yùn)動(dòng)。
　　最后，基于奔跑持續(xù)性準(zhǔn)則提出奔跑機(jī)器人在受擾環(huán)境下的平衡控制策略，根據(jù)受擾后的質(zhì)心

4、速度和角度恒速著地碰撞策略設(shè)計(jì)平衡控制器，使得系統(tǒng)狀態(tài)始終沿著奔跑可行集的中心部分改變以適應(yīng)外部受擾環(huán)境，首次解決了欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人奔跑過程中的推力-恢復(fù)問題以及不平整地面環(huán)境的適應(yīng)問題。實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果驗(yàn)證欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人能夠在一步之內(nèi)達(dá)到新的奔跑可持續(xù)步態(tài)，欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人在受擾環(huán)境下的平衡能力，是其真正適應(yīng)在人類物理環(huán)境的關(guān)建所在，推進(jìn)了欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的實(shí)用化。
　　本文提出的控制器設(shè)計(jì)方法與奔跑持續(xù)性準(zhǔn)則，在相應(yīng)的各個(gè)章節(jié)給出了詳細(xì)的理論分