欠驱动双足机器人高效行走控制研究

摘要

相对于轮式运动和履带式运动，双足运动有着较好的环境适应能力，并且基于双足运动的移动机器人具有接近于人类的运动方式，可以更好地代替人类从事一些具有危险性的工作。然而，目前双足机器人运动过程中的高能耗问题已经成为了阻碍双足机器人应用的一个重要问题，因此，高效行走问题成为了双足运动控制中的一个热点问题。本文主要从关节辅助装置以及双足行走控制器方面加以考虑，旨在使双足机器人可以形成高效稳定的行走步态。
　　首先，本文以踝关节欠驱动的圆规式机器人为研究对象，研究安装于机器人胯关节处的机械约束装置对于行走高效性以及稳定性的影响。通过在相同的恒值力矩输入的情况下对比不同的关节限位方式，首次得出了回摆限位更加适合机器人在水平路面上行走的结论。通过与时间放缩控制以及虚约束步态生成方法相对比，揭示了恒力矩驱动结合回摆限位方式可以实现更加高效的行走步态。通过分析不同步长以及不同的力矩输入下行走步态的稳定性，可以发现:随着步长的增加，行走步态的稳定性逐渐由开环稳定变为不稳定。对于不稳定的大步长行走步态，提出了基于事件的反馈控制方法加以镇定，实现了高效稳定的行走步态。
　　其次，本文针对踝关节欠驱动机器人稳定行走的控制方法进行了研究。将比较常用的踝关节欠驱动平面双足机器人的结构进行了总结与分类，以最常用的五连杆型双足机器人的动力学模型为例，揭示了踝关节欠驱动平面双足机器人行走过程中围绕支撑点的角动量三阶导数与控制量相关，并且根据这一特征，首次提出了一种基于移动庞加莱截面的横向坐标变换方法。根据这一方法，机器人行走过程中连续阶段的轨迹跟踪问题可以转化为一个具有不确定项的线性定常系统关于坐标原点的稳定控制问题。之后给出了结合庞加莱映射的反馈控制器设计方法，得到用于步态镇定的状态反馈控制器。然后以胯关节带有机械约束的圆规式机器人为例进行仿真，结果表明基于横向坐标变换的控制器可以将开环不稳定的行走步态进行镇定。通过将横向坐标变换的反馈控制器与基于事件的反馈控制器进行对比，本文提出的方法在收敛域和收敛速度方面均具有一定的优势。
　　最后，本文将带有机械约束装置的高效行走方式推广到踝关节欠驱动的三维圆规式机器人模型中。该机器人在踝关节处存在两个欠驱动自由度以及一个主动胯关节自由度。针对不稳定的开环行走步态，本文首次提出了一种离散横向线性化的方法将机器人极限环步态的镇定问题近似为离散周期线性系统的镇定问题，根据离散线性二次型调节器的设计方法求解出周期反馈控制器，将目标极限环进行镇定。仿真结果表明，本文的方法可以控制三维圆规式机器人稳定行走。通过与常规的基于事件的反馈控制进行对比，本文提出的离散横向线性化控制器有着更大的收敛域以及更快的收敛速度，充分说明了该方法的优越性。

目录

声明

致谢

摘要

插图清单

附表清单

1 绪论

1．1 引言

1．2 背景及研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 双足机器人控制方法综述

1．3．1 基于ZMP的控制

1．3．2 基于被动行走的控制

1．3．3 基于混杂零动态的控制

1．3．4 基于时间放缩的控制

1．3．5 基于横向线性化的控制

1．3．6 一些其它的控制方法

1．4 本文研究内容

2 基础知识

2．1 引言

2．2 基于拉格朗日方法的动力学建模

2．3 基于虚约束的目标轨迹规划

2．3．1 单欠驱动关节的双足机器人目标步态生成方法

2．3．2 多欠驱动关节的双足机器人目标步态生成方法

2．4 庞加莱映射

2．5 基于事件的反馈控制

2．6 本章小结

3 带有机械约束的行走研究

3．1 引言

3．2 圆规式机器人动力学模型

3．3 步态存在性的判断准则

3．4 步态高效性的对比

3．4．1 回摆限位与常规限位对比

3．4．2 回摆限位与时间放缩控制对比

3．4．3 回摆限位与混杂零动态控制对比

3．5 步态的稳定性

3．6 基于事件的反馈控制

3．7 本章小结

4 基于横向坐标变换的机器人控制

4．1 引言

4．2 基本思想

4．3 横向坐标变换

4．4 控制器设计

4．5 仿真实例

4．6 本章小结

5 脚踝欠驱动的三维圆规式机器人行走控制

5．1 引言

5．2 机器人模型

5．3 行走步态生成及稳定性分析

5．4 基于离散横向线性化的反馈控制

5．4．1 离散横向线性化一般方法

5．4．2 仿真结果

5．5 方法对比

5．6 本章小结

6 结论与展望

6．1 工作总结

6．2 工作展望

参考文献

攻读博士学位期间的主要学术成果