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1、作為宏觀運(yùn)動(dòng)仿生的代表,以模擬生物的體貌形態(tài)、運(yùn)動(dòng)特征為目標(biāo)的足式機(jī)器人以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)類型、靈活的運(yùn)動(dòng)形式和出眾的地形適應(yīng)能力在山地運(yùn)輸、軍事戰(zhàn)場(chǎng)、核工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等一系列極端作業(yè)環(huán)境下扮演著日益重要而不可替代的角色。自Boston Dynamics公司的四足機(jī)器人BigDog、WildCat和雙足機(jī)器人 Petman、Atlas相繼問(wèn)世,更是在世界范圍內(nèi)掀起了一股前所未有的足式機(jī)器人研制熱潮。
動(dòng)步態(tài)控制是足式機(jī)器人最具挑戰(zhàn)性的問(wèn)
2、題之一,由于機(jī)器人自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的高維度非線性等因素的存在,即便當(dāng)今最先進(jìn)的足式機(jī)器人與生物堪稱完美的運(yùn)動(dòng)性能尚存在相當(dāng)?shù)牟罹?。本文面向足式仿生機(jī)器人的關(guān)鍵基礎(chǔ)理論問(wèn)題,以描述生物體動(dòng)步態(tài)運(yùn)動(dòng)的經(jīng)典模型一一彈簧負(fù)載倒立擺(Spring-Loaded Inverted Pendulum, SLIP)作為低維運(yùn)動(dòng)空間的主要研究對(duì)象,將低維度SLIP模型動(dòng)力學(xué)的解析化研究與控制和高維度足式機(jī)器人系統(tǒng)的降維作為研究主線,利用攝
3、動(dòng)理論、動(dòng)態(tài)逆理論和回歸映射等分析手段徹底解決低維 SLIP模型的運(yùn)動(dòng)控制;并以此為基礎(chǔ)將低維空間的控制成果衍化至高維機(jī)器人空間,進(jìn)而統(tǒng)一解決單足、雙足、四足機(jī)器人的動(dòng)步態(tài)控制,揭示以SLIP歸約模型為內(nèi)核的足式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制機(jī)理的理論本質(zhì),為全面提升足式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的高動(dòng)態(tài)性、高穩(wěn)定性提供普適性解決方案。
本文首先以SLIP歸約模型為出發(fā)點(diǎn),在統(tǒng)一化構(gòu)建SLIP模型的基礎(chǔ)上,引入量綱分析方法對(duì)模型進(jìn)行預(yù)處理,消除其結(jié)構(gòu)參數(shù)的冗
4、余性。針對(duì)全被動(dòng)SLIP模型支撐相動(dòng)力學(xué)方程的非線性項(xiàng)導(dǎo)致二階不可積分的問(wèn)題,采用基于小參數(shù)法的攝動(dòng)技術(shù)求解支撐相動(dòng)力學(xué)方程,獲得了具有封閉顯式數(shù)學(xué)格式的近似解析解。與文獻(xiàn)中已有近似解的性能對(duì)比證實(shí)了攝動(dòng)解對(duì)SLIP模型的頂點(diǎn)具有更高的預(yù)測(cè)精度。通過(guò)構(gòu)建SLIP模型頂點(diǎn)回歸映射和不動(dòng)點(diǎn)分析,建立了SLIP模型周期運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的理論評(píng)判準(zhǔn)則。
為進(jìn)一步探究SLIP模型的結(jié)構(gòu)/運(yùn)動(dòng)參數(shù)與其運(yùn)動(dòng)性能的內(nèi)在聯(lián)系,建立了包括足-地接觸和運(yùn)
5、動(dòng)穩(wěn)定性在內(nèi)的SLIP模型運(yùn)動(dòng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。足-地接觸指標(biāo)包含足-地接觸力峰值和足-地接觸力比率峰值兩項(xiàng)指標(biāo),對(duì)SLIP模型在支撐相期間的足-地接觸狀況進(jìn)行定量描述;運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性指標(biāo)包括不動(dòng)點(diǎn)的吸引區(qū)域范圍、 Floquet乘數(shù)和最大容許擾動(dòng)量三項(xiàng)指標(biāo),分別表征了SLIP模型周期運(yùn)動(dòng)對(duì)初值的敏感性、系統(tǒng)在初值偏差下的收斂速率以及對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)擾動(dòng)的抵抗能力。借助于借助于支撐相近似解析解對(duì)模型以腿部等效剛度為主的結(jié)構(gòu)參數(shù)和以觸地角度為主的運(yùn)動(dòng)參
6、數(shù)對(duì)上述指標(biāo)的影響進(jìn)行定量分析和綜合評(píng)估,并對(duì)所有分析數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)變異測(cè)試以消除所獲得結(jié)果對(duì)模型參數(shù)選擇的依賴性。并以此為基礎(chǔ),開(kāi)展了全被動(dòng)SLIP模型的運(yùn)動(dòng)自穩(wěn)定性研究。為解決SLIP模型自穩(wěn)定性存在的運(yùn)動(dòng)局限性,研究了基于支撐相近似解的SLIP模型頂點(diǎn)Dead-beat運(yùn)動(dòng)控制策略研究,實(shí)現(xiàn)了對(duì)SLIP模型頂點(diǎn)水平速率和騰空高度的解耦控制,提升了系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)性能。
在全被動(dòng)SLIP模型的基礎(chǔ)上,提出了具有腿部驅(qū)動(dòng)單元的欠驅(qū)動(dòng)
7、SLIP模型。在模型支撐相的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃層面,開(kāi)展了基于質(zhì)心運(yùn)動(dòng)虛擬約束的矢狀面支撐相軌跡規(guī)劃研究,并設(shè)計(jì)基于Bfeier多項(xiàng)式的質(zhì)心軌跡實(shí)現(xiàn)了SLIP模型支撐相的對(duì)稱/非對(duì)稱運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)控制層面,針對(duì)同一虛擬約束在直角坐標(biāo)系和極坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)形式差異造成質(zhì)心軌跡規(guī)劃與軌跡控制的矛盾,研究了基于動(dòng)態(tài)逆理論的支撐相隱式軌跡跟蹤控制算法。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合局部狀態(tài)反饋線性化提出了欠驅(qū)動(dòng)SLIP模型運(yùn)動(dòng)控制策略,在非規(guī)則路面下實(shí)現(xiàn)了SLIP模型的穩(wěn)
8、定運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題。
對(duì)低維空間SLIP歸約模型的研究為高維足式機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制奠定了充足的理論基礎(chǔ)。為解決低維約模型與高維機(jī)器人系統(tǒng)間控制模式轉(zhuǎn)化的核心問(wèn)題,開(kāi)展基于機(jī)器人任務(wù)空間的控制模式映射研究,實(shí)現(xiàn)了由SLIP歸約模型生成的期望軌跡到底層機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩分配。以此為基礎(chǔ)提出了一套完整的基于SLIP歸約模型的層次化運(yùn)動(dòng)控制架構(gòu):在規(guī)劃層由SLIP歸約模型根據(jù)機(jī)器人與環(huán)境交互信息反饋在線生成質(zhì)心的期望運(yùn)動(dòng)軌跡;在執(zhí)行層
9、通過(guò)任務(wù)空間的控制模式映射實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人具體關(guān)節(jié)的控制。在算法的應(yīng)用方面,分別針對(duì)典型的足式機(jī)器人設(shè)計(jì)基于任務(wù)空間的單、多目標(biāo)層次化運(yùn)動(dòng)控制算法,實(shí)現(xiàn)了單足機(jī)器人跳躍步態(tài)、雙足機(jī)器人奔跑步態(tài)及四足機(jī)器人奔馳步態(tài)下的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)控制,并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提算法的有效性。
本文圍繞著SLIP歸約模型所開(kāi)展的動(dòng)力學(xué)解析化研究、參數(shù)化分析、頂點(diǎn) Dead-beat運(yùn)動(dòng)控制以及欠驅(qū)動(dòng)模型支撐相軌跡控制為基于SLIP模型的足式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系
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