基于軌跡庫(kù)的仿人機(jī)器人站立平衡和行走控制.pdf

1、仿人機(jī)器人可以適應(yīng)人類的生活和工作環(huán)境，代替人類完成各種任務(wù)，在很多方面擴(kuò)展人類的能力，具有廣闊的應(yīng)用前景。仿人機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制水平的高低是決定其能否走向?qū)嵱玫闹匾蛩亍ｋm然目前在仿人機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方面取得了大量可喜的成果，但其在控制的效率、魯棒性等方面與人類相比仍有很大差距。仿人機(jī)器人是目前結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的機(jī)器人之一，因此憑借設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)為其設(shè)計(jì)各種參數(shù)化運(yùn)動(dòng)控制器不僅非常繁瑣，而且很難保證最終得到的控制器性能。最優(yōu)控制提供了采用優(yōu)化技術(shù)設(shè)計(jì)

2、控制器的系統(tǒng)方法，但是目前采用最優(yōu)控制實(shí)現(xiàn)的仿人機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方法，存在著模型過(guò)于簡(jiǎn)單和計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等問(wèn)題。因此，研究新的基于優(yōu)化的仿人機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方法具有重要意義。
　　 對(duì)仿人機(jī)器人而言，雙足行走是其區(qū)別于其他類型機(jī)器人的重要特征，擾動(dòng)下的站立平衡控制是運(yùn)動(dòng)控制研究的基本問(wèn)題，因此本文重點(diǎn)研究了基于優(yōu)化的仿人機(jī)器人站立平衡控制和行走控制問(wèn)題，著眼于提高控制的效率和魯棒性。所取得的成果主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
　　

3、1.從軌跡優(yōu)化和構(gòu)造控制律兩個(gè)方面，研究了基于軌跡庫(kù)的控制方法。在軌跡優(yōu)化方面，研究了多種軌跡優(yōu)化方法。為了克服單一軌跡優(yōu)化算法存在的算法收斂依賴于初始軌跡或得到的軌跡違反動(dòng)力學(xué)約束等缺點(diǎn)，提出了一種混合軌跡優(yōu)化方法。該方法在生成軌跡方面更加魯棒，能產(chǎn)生更加精確的軌跡，而且能夠在生成軌跡的同時(shí)得到控制律局部近似模型。另外，研究了軌跡優(yōu)化中存在的約束處理、振鈴現(xiàn)象、穩(wěn)態(tài)值函數(shù)近似和局部最優(yōu)等問(wèn)題，提出了解決的辦法。在構(gòu)造控制律方面，總結(jié)了

4、采用軌跡庫(kù)實(shí)現(xiàn)控制的方法，包括軌跡跟蹤法、在線優(yōu)化法和函數(shù)近似法等。
　　 2.研究了基于優(yōu)化的仿人機(jī)器人站立平衡控制方法。針對(duì)實(shí)際的機(jī)器人控制問(wèn)題，研究了利用非線性最小二乘方法進(jìn)行模型物理參數(shù)辨識(shí)的方法和基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的狀態(tài)在線估計(jì)方法。針對(duì)目前大部分采用參數(shù)化控制器實(shí)現(xiàn)的方法存在性能局限、采用最優(yōu)控制實(shí)現(xiàn)的方法計(jì)算量大且只實(shí)現(xiàn)了瞬間擾動(dòng)下的站立平衡等問(wèn)題，提出了基于軌跡庫(kù)的站立平衡控制方法。該方法不僅能夠比較快速地得到

5、控制器，而且能夠保證最終得到的控制器相對(duì)特定優(yōu)化指標(biāo)的性能。在生成軌跡庫(kù)時(shí)，針對(duì)如何減少軌跡庫(kù)中軌跡數(shù)目這一關(guān)鍵性問(wèn)題，提出了初始條件自適應(yīng)網(wǎng)格上基于控制器預(yù)測(cè)性能的軌跡庫(kù)生成方法，在減少軌跡數(shù)目的同時(shí)，滿足控制器的性能要求。以往的研究主要實(shí)現(xiàn)了瞬間擾動(dòng)下的站立平衡控制，而本文同時(shí)研究并實(shí)現(xiàn)了持續(xù)且時(shí)變的擾動(dòng)下的站立平衡控制。與基于線性二次型調(diào)節(jié)器(LQR)的增益調(diào)度控制器進(jìn)行了對(duì)比，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明了方法的有效性和性能優(yōu)勢(shì)。由于仿人

6、機(jī)器人由多個(gè)關(guān)節(jié)和身體部分構(gòu)成，相同外力作用下站立平衡控制中期望狀態(tài)的選擇并不唯一。為進(jìn)一步提高控制器的魯棒性，本文研究了期望狀態(tài)的選擇問(wèn)題，并提出了確定期望狀態(tài)的方法。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明了方法的有效性。
　　 3.研究了基于優(yōu)化的仿人機(jī)器人行走控制方法。首先，把仿人機(jī)器人的行走控制問(wèn)題歸結(jié)為動(dòng)力學(xué)不連續(xù)系統(tǒng)周期性任務(wù)的最優(yōu)控制問(wèn)題，提出一種鄰域最優(yōu)控制方法。采用參數(shù)化軌跡優(yōu)化方法求解周期性穩(wěn)態(tài)軌跡，在推導(dǎo)動(dòng)力學(xué)不連續(xù)處值函數(shù)的

7、傳遞關(guān)系的基礎(chǔ)上，采用微分動(dòng)態(tài)規(guī)劃得到更加精確的周期性穩(wěn)態(tài)軌跡和其采樣狀態(tài)上的控制律局部近似模型。以此為基礎(chǔ)，研究了只考慮單腿支撐的平面七連桿雙足行走控制問(wèn)題。針對(duì)現(xiàn)有方法存在的不足，提出了基于軌跡庫(kù)的行走控制方法。仿真結(jié)果驗(yàn)證了方法的魯棒性和有效性，并與基于軌跡跟蹤的行走控制進(jìn)行了對(duì)比，顯示了本文方法在魯棒性、性能方面的優(yōu)越性。最后，研究了更具一般性的行走控制(考慮雙腿支撐階段的三維七連桿雙足行走控制)，給出了穩(wěn)態(tài)軌跡優(yōu)化的初步結(jié)果。