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欠驱动步行机器人运动学机理与控制策略研究

刘振泽  
【摘要】: 本文主要研究了欠驱动步行机器人被动行走步态的内在机理,并开发了Compass-like双足步行机器人的稳定行走控制策略。建立了Compass-like双足步行机器人被动行走步态的数学模型,开发了相应的软件仿真平台,分析了被动行走步态中的能量转化关系,进一步研究了参数变化时被动行走步态动态特性的变化规律。设计并实现了被动行走步态的基本控制算法,包括能量控制,角度不变控制,基于能量的角度不变控制,扩大了被动行走步态极限环的收敛域,增强了行走步态的稳定性与抗干扰性能。通过仿真分析了机器人被动行走的分叉、混沌步态及其产生的原因,提出了混沌步态新的动力学模型,并应用脉冲控制方式实现了机器人混沌运动的稳定控制。模仿人类行走步态双腿运动的对称性,提出了Compass-like双足步行机器人的反向同步控制方法,实现了机器人双腿对称行走步态,通过机器人机械能的反馈控制,实现了对机器人平均前进速度的控制。为了实现欠驱动双足被动机器人能够实现复杂环境中的高效稳定行走步态与复杂的姿态控制,借鉴人类行走过程中的多模式控制方法,提出了欠驱动步行机器人的分域控制方法,并以Compass-like双足步行机器人为对象进行了具体的分域控制算法设计与实现,仿真结果验证了算法的有效性。分域控制算法把稳定行走步态极限环作为控制的目标轨迹,能使机器人产生新的稳定行走步态,大大提高机器人行走的稳定性与抗干扰性,为被动机器人复杂控制算法的设计提供了良好的解决思路。本文的一系列理论研究工作,着眼点在于从理论上研究被动行走步态动态特性及其控制策略开发,对仿人形双足机器人机构设计创新和机器人行走的高效鲁棒控制策略的开发具有一定的借鉴与指导意义。


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