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欠驱动行走机器人步态优化与稳定控制

刘德君  
【摘要】:双足欠驱步行机器人的研究具有重要的理论和实际应用价值,受到国内外学者的广泛关注。目前,全驱动双足机器人的理论和实践研究已经取得了较丰硕成果,但还未达到人们希望的水平,主要原因是能耗大、效率低。纯被动行走双足机器人利用重力势能的作用,可获得高效、稳定的单一行走步态,但是由于没有驱动力,只能在斜坡上向下行走,且稳定性能差。采用欠驱动方式的双足机器人具有重量轻、节约能量,可在任意斜面上行走等优点,对其研究还可揭示人类的高速、高效行走的机理。本文在欠驱动步行机器人的步态控制、稳定性分析及步态优化等方面开展主要研究。具体研究的内容如下: 首先,对欠驱动步行机器人的国内外研究现状进行回顾,然后对Compass-like双足机器人、有膝关节的双足机器人进行二维空间和三维空间建模,给出各行走阶段的动态方程。为了寻求双足机器人欠驱动力的注入点,通过分析人类行走时下肢肌电信号的变化过程,得知踝关节在人类双足行走中是起着主要作用的,因此,本文研究的双足步行机器人其驱动力矩仅来源于踝关节。 提出了时间尺度控制,实现行走速度的调整,分析了适用于连续系统的时间尺度控制在双足机器人混合系统中的可行性,证明了时间尺度控制和虚拟重力控制是等效的,对Compass-like机器人和有膝关节机器人分别进行了常时间尺度控制和变时间尺度控制,通过仿真实验研究,证明了时间尺度控制可实现任意步态间的快速切换。 提出了能量成型控制,实现双足步行机器人的行走速度和步长同时变化。由于能量成型控制的匹配条件为偏微分方程,为了简化能量成型控制器的求解,通过引入动能内积理论,将非线性偏微分方程转换为线性偏微分方程,并以仅在踝关节驱动的Compass-like双足机器人为例,求得动能成型控制器,并分别对Compass-like双足机器人和有膝关节的机器人进行仿真实验。为了扩大行走范围,提出将角度不变控制与能量成型控制相结合的控制策略,提高系统的鲁棒性。另外,将能量成型控制拓展到双足机器人的三维系统中,通过构建概循环拉格朗日函数,利用约束条件,实现前向行走和侧向运动的解耦。 利用无源性理论,分析并证明了双足欠驱动机器人系统具有无源性,从能量的角度建立了lyapunov函数,证明了能量成型控制的稳定性,实现双足步行机器人稳定行走。针对行走状态空间的分布情况,采用分域控制,根据机器人的尺寸、可达的状态和自然吸引域范围,把状态空间划分不同区域,对不同区域采取不同的控制方法,扩大机器人稳定行走范围。 最后,以Compass-like双足机器人为例,采用Pontryagin极值原理,研究步态最优控制问题。为了解决混合动态系统的最优控制,通过引入约束函数和惩罚函数,简化了两点边界值最优控制的求解,通过数值仿真,得到了最优控制力矩和最优状态。


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