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欠驱动双足机器人行走步态建模与动态行走控制策略研究

张佩杰  
【摘要】: 机构设计与双足步行理论是双足机器人研究的两个主要内容。被动动力学理论是双足机器人研究的一个重要方向,其主要研究意义在于揭示双足行走机构本身的动力学特性,为双足机器人机构设计、行走步态分析与控制算法综合提供新的研究思路。 本文研究了欠驱动双足机器人的机械结构设计、参数优化以及动态行走控制策略的设计等问题。根据欠驱动双足机器人的被动行走步态原理,设计了欠驱动双足机器人样机PADW-JLU II,实现了高效率双足欠驱动行走步态。提出了一种新的欠驱动机器人双脚机构,利用弹性元件实现了双脚落地碰撞过程中的机械能储存,减小了地面的反作用力,简化了行走过程中双脚的控制,实现了欠驱动双足机器人样机行走过程中的三维动态平衡。建立了带膝关节的平面四连杆欠驱动机器人被动行走步态的动力学模型,并进行了数值仿真,分析了行走步态中的能量转化过程,揭示了被动行走步态的内在机理,并分析了不同物理参数条件下机器人被动行走步态特性的变化规律。提出了基于时间维信息的极限环表示方法,使被动行走步态极限环能够更清晰地表示行走的动态过程。利用胞映射的方法实现了被动行走步态极限环吸引域的求解,并结合牛顿迭代思想提出了一种新的吸引域求解方法,提高了计算精度,减小了计算量。基于混合系统周期轨道的局部稳定性与全局稳定性定义,以被动行走步态极限环的局部与全局稳定性为指标,实现了欠驱动行走机器人的参数优化。利用极限环行走的概念,设计了欠驱动机器人的比例—微分控制算法,并通过迭代优化控制器的参数,实现了欠驱动机器人的动态行走控制。 本论文研究得到了国家高技术研究发展计划(863计划)课题(2006AA04Z251)、国家自然科学基金项目(60974067)、吉林省科技发展计划项目(20070524)的资助。


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