欠驅動雙足機器人動態(tài)步行規(guī)劃與抗擾動控制.pdf

1、仿人機器人是最有希望成為在人類生活和工作的環(huán)境中服務于人的機器人類型，其一直是機器人領域的研究熱點。盡管近年來仿人機器人研究取得了巨大進展，但就目前的發(fā)展水平看，還遠沒有達到能夠實際應用的要求，主要原因之一就是機器人的快速動態(tài)運動能力和抗擾動能力都較差。對于欠驅動雙足機器人，由于不存在支撐域概念，因此無論是穩(wěn)定站立還是動態(tài)步行，其始終都處在一個動態(tài)穩(wěn)定的狀態(tài)中。本文以欠驅動雙足機器人為研究對象，可以避免傳統(tǒng)基于穩(wěn)定域規(guī)劃方法和思維的限制

2、，充分發(fā)掘雙足機器人的快速運動能力和動態(tài)穩(wěn)定能力，并為仿人機器人的動態(tài)步行規(guī)劃和抗擾動控制提供新的思路。
　　本文以快速和動態(tài)穩(wěn)定為目標，研究欠驅動雙足機器人的動態(tài)步行規(guī)劃和抗擾動控制問題，主要研究內(nèi)容包括:
　　1.基于虛擬力控制方法對欠驅動雙足機器人進行運動建模。首先將欠驅動雙足機器人分為欠驅動平面雙足機器人和欠驅動仿人機器人，針對不同狀態(tài)相分別進行虛擬力控制建模，并分析欠驅動特性導致的虛擬力之間約束關系，建立虛擬力與支

3、撐腿關節(jié)力矩之間換算關系，研究雙腿支撐時各腿分虛擬力的合成與分配問題。
　　2.基于髖策略實現(xiàn)欠驅動平面雙足機器人的站立抗擾動控制。首先基于足底欠驅動引起的虛擬力之間的約束關系，以身體恒高和恒姿態(tài)控制為優(yōu)先目標，建立前向運動方程并求解，構建前向運動的相變圖并定義穩(wěn)定軌道用來描述穩(wěn)定狀態(tài)的集合。按照外力作用的位置將擾動分成3種情況，并基于髖策略分別規(guī)劃對應的3種開環(huán)控制方法，可以在身體水平穩(wěn)定狀態(tài)和直立姿態(tài)都受影響的情況下，同時完成

4、水平方向的平衡控制和直立姿態(tài)恢復。
　　3.研究欠驅動平面雙足機器人的動態(tài)行走規(guī)劃和抗擾動控制問題。首先對單腿支撐相和雙腿支撐相的水平運動規(guī)律進行分析，參考人的行走步態(tài)公式建立行走速度和單步步長/周期之間的關系，并在相變圖上規(guī)劃期望行走速度對應的水平運動軌跡。基于落腳點調(diào)整策略研究行走速度控制，通過對當前步的末速度進行估計并實時計算和調(diào)整落腳點以完成前向運動的實時閉環(huán)控制，并天然具有抗擾動控制能力。
　　4.以快速性為目標，

5、研究欠驅動平面雙足機器人的短跑運動規(guī)劃。為實現(xiàn)雙足機器人更快速的運動，本文模仿運動員在短跑時“踮腳跑”的運動方式。腳尖著地的方式卻給支撐腿引入了1個冗余關節(jié)，導致在虛擬力控制時支撐腿內(nèi)部運動的不確定。為解決該問題，在分析身體虛擬力和支撐腿各關節(jié)做功的基礎上，以最大化虛擬力總驅動功率為目標，提出膝和踝協(xié)調(diào)驅動的條件和實現(xiàn)方法。該方法通過均衡膝和踝的驅動負擔，既解決了支撐腿內(nèi)部運動的不確定問題，又充分發(fā)揮了踝關節(jié)的驅動能力。在腿部其他關節(jié)驅

6、動能力不變的情況下，通過短跑運動方式可以有效提高有腳板雙足機器人的運動速度。
　　5.研究欠驅動仿人機器人的動態(tài)行走規(guī)劃和抗擾動控制問題。首先，前向運動規(guī)劃直接沿用欠驅動平面雙足機器人的動態(tài)行走規(guī)劃方法，并預留單步周期作為觸發(fā)事件用來關聯(lián)側向運動。參考入側向運動的波動性規(guī)律，考慮到機器人抵抗不同側方向外力的能力存在差異等因素，分別規(guī)劃左右腿期望的側向運動軌跡。研究側向落腳點的實時調(diào)整方法，并分析單步和多步抗側向擾動的控制方法以及對