本文關(guān)鍵詞：欠驅(qū)動雙足機器人高效行走控制研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《浙江大學(xué)》 2015年

欠驅(qū)動雙足機器人高效行走控制研究

唐沖  

【摘要】：相對于輪式運動和履帶式運動,雙足運動有著較好的環(huán)境適應(yīng)能力,并且基于雙足運動的移動機器人具有接近于人類的運動方式,可以更好地代替人類從事一些具有危險性的工作。然而,目前雙足機器人運動過程中的高能耗問題已經(jīng)成為了阻礙雙足機器人應(yīng)用的一個重要問題,因此,高效行走問題成為了雙足運動控制中的一個熱點問題。本文主要從關(guān)節(jié)輔助裝置以及雙足行走控制器方面加以考慮,旨在使雙足機器人可以形成高效穩(wěn)定的行走步態(tài)。 首先,本文以踝關(guān)節(jié)欠驅(qū)動的圓規(guī)式機器人為研究對象,研究安裝于機器人胯關(guān)節(jié)處的機械約束裝置對于行走高效性以及穩(wěn)定性的影響。通過在相同的恒值力矩輸入的情況下對比不同的關(guān)節(jié)限位方式,首次得出了回擺限位更加適合機器人在水平路面上行走的結(jié)論。通過與時間放縮控制以及虛約束步態(tài)生成方法相對比,揭示了恒力矩驅(qū)動結(jié)合回擺限位方式可以實現(xiàn)更加高效的行走步態(tài)。通過分析不同步長以及不同的力矩輸入下行走步態(tài)的穩(wěn)定性,可以發(fā)現(xiàn)：隨著步長的增加,行走步態(tài)的穩(wěn)定性逐漸由開環(huán)穩(wěn)定變?yōu)椴环�(wěn)定。對于不穩(wěn)定的大步長行走步態(tài),提出了基于事件的反饋控制方法加以鎮(zhèn)定,實現(xiàn)了高效穩(wěn)定的行走步態(tài)。 其次,本文針對踝關(guān)節(jié)欠驅(qū)動機器人穩(wěn)定行走的控制方法進行了研究。將比較常用的踝關(guān)節(jié)欠驅(qū)動平面雙足機器人的結(jié)構(gòu)進行了總結(jié)與分類,以最常用的五連桿型雙足機器人的動力學(xué)模型為例,揭示了踝關(guān)節(jié)欠驅(qū)動平面雙足機器人行走過程中圍繞支撐點的角動量三階導(dǎo)數(shù)與控制量相關(guān),并且根據(jù)這一特征,首次提出了一種基于移動龐加萊截面的橫向坐標(biāo)變換方法。根據(jù)這一方法,機器人行走過程中連續(xù)階段的軌跡跟蹤問題可以轉(zhuǎn)化為一個具有不確定項的線性定常系統(tǒng)關(guān)于坐標(biāo)原點的穩(wěn)定控制問題。之后給出了結(jié)合龐加萊映射的反饋控制器設(shè)計方法,得到用于步態(tài)鎮(zhèn)定的狀態(tài)反饋控制器。然后以胯關(guān)節(jié)帶有機械約束的圓規(guī)式機器人為例進行仿真,結(jié)果表明基于橫向坐標(biāo)變換的控制器可以將開環(huán)不穩(wěn)定的行走步態(tài)進行鎮(zhèn)定。通過將橫向坐標(biāo)變換的反饋控制器與基于事件的反饋控制器進行對比,本文提出的方法在收斂域和收斂速度方面均具有一定的優(yōu)勢。 最后,本文將帶有機械約束裝置的高效行走方式推廣到踝關(guān)節(jié)欠驅(qū)動的三維圓規(guī)式機器人模型中。該機器人在踝關(guān)節(jié)處存在兩個欠驅(qū)動自由度以及一個主動胯關(guān)節(jié)自由度。針對不穩(wěn)定的開環(huán)行走步態(tài),本文首次提出了一種離散橫向線性化的方法將機器人極限環(huán)步態(tài)的鎮(zhèn)定問題近似為離散周期線性系統(tǒng)的鎮(zhèn)定問題,根據(jù)離散線性二次型調(diào)節(jié)器的設(shè)計方法求解出周期反饋控制器,將目標(biāo)極限環(huán)進行鎮(zhèn)定。仿真結(jié)果表明,本文的方法可以控制三維圓規(guī)式機器人穩(wěn)定行走。通過與常規(guī)的基于事件的反饋控制進行對比,本文提出的離散橫向線性化控制器有著更大的收斂域以及更快的收斂速度,充分說明了該方法的優(yōu)越性。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TP242
【目錄】：

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