基于欠驅(qū)動性的雙足機器人高能效行走控制研究.pdf

1、雙足運動是人類的重要標志，相比于其他運動形式，雙足運動有著更好的環(huán)境適應(yīng)性。學界認為，雙足運動能力是機器人應(yīng)當具有的最大特征之一。雙足機器人由于運動形式與人類接近，因此更為適合在人類的生存環(huán)境中與人類進行協(xié)同工作，是未來幫助或替代人類工作的理想機器人形態(tài)。然而，機器人雙足行走能耗過高，難以連續(xù)工作，這已經(jīng)成為了阻礙機器人進一步發(fā)展的瓶頸問題。欠驅(qū)動雙足機器人是實現(xiàn)高能效行走的理想平臺，但由于系統(tǒng)不完全能控，給步態(tài)設(shè)計和控制器設(shè)計帶來了巨

2、大的挑戰(zhàn)。針對機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)動雙足機器人為研究對象，設(shè)計了高能效的行走步態(tài)并提出了新的控制策略，提高了機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針對雙足機器人行走能量效率低下的問題，以帶有腳板的圓規(guī)式機器人為研究對象，在機器人的髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)分別加入了機械約束裝置和彈性儲能元件，采用恒值控制的方式，為機器人設(shè)計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證了極限環(huán)的穩(wěn)定性，并利用基于事件的控制策略對開環(huán)不穩(wěn)定的極限環(huán)進行了鎮(zhèn)定，最終實現(xiàn)機器人的高能效穩(wěn)定行走。⑵針對欠驅(qū)動自由度為1的平面機器人，設(shè)計了通用的控制策略對參考極限環(huán)進行跟蹤。欠驅(qū)動自由度的存在加大了系統(tǒng)的控制難度，根據(jù)機器人自身動力學機理，本文提出了以系統(tǒng)角動量為跟蹤依據(jù)的坐標變換方法，將系統(tǒng)維數(shù)降低，使問題得到簡化。針對降維后的系統(tǒng)，本文設(shè)計了近似線性化與自抗擾控制相結(jié)合的控制

4、策略。當誤差較小時，可以將非線性的模型誤差忽略不計，利用近似線性化的方式進行控制器設(shè)計;當系統(tǒng)誤差較大時，則可利用狀態(tài)擴張觀測器的觀測值對系統(tǒng)的模型誤差進行動態(tài)線性補償，設(shè)計新的反饋控制器。通過這樣的控制策略，可以對目標極限環(huán)進行跟蹤。通過與基于事件的控制方法對比，證實了本控制方法在收斂速度和收斂域上的優(yōu)越性。⑶針對欠驅(qū)動機器人行走適應(yīng)性差的問題，設(shè)計了變坡度路面的高能效行走切換控制策略。本文采用時間放縮的方法為帶有腳板的圓規(guī)式機器人針

5、對特定的坡度設(shè)計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)受控對稱性原理，將基礎(chǔ)步態(tài)進行推廣，通過簡潔的變換，生成適應(yīng)不同坡度的過渡步態(tài)。設(shè)計了基于反饋線性化和時間放縮控制的切換控制器，使機器人在不同的坡度上跟蹤不同的參考軌跡，保證機器人在變坡度路面上高能效且穩(wěn)定地行走。以NAO機器人作為實驗對象，針對其動力學模型利用時間放縮的方法設(shè)計了平地及上下坡的行走步態(tài)，設(shè)計了控制器使NAO機器人可以由直立的零速度狀態(tài)收斂到目標步態(tài)，實現(xiàn)