兩足溜冰機(jī)器人姿態(tài)穩(wěn)定性與運(yùn)動(dòng)控制的研究.pdf

1、兩足溜冰機(jī)器人作為一種混合結(jié)構(gòu)式移動(dòng)機(jī)器人，是提高機(jī)器人機(jī)動(dòng)性和節(jié)省能源的一條重要途徑。同時(shí)溜冰機(jī)器人又是一個(gè)很好的研究模型，為控制理論的應(yīng)用及運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)問題的研究提供了廣闊的天地。溜冰機(jī)器人是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性和變結(jié)構(gòu)的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，其變姿態(tài)結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性及產(chǎn)生穩(wěn)定溜冰運(yùn)動(dòng)所需解決的動(dòng)態(tài)平衡問題，對于控制理論及動(dòng)力學(xué)問題的研究來說具有很大的挑戰(zhàn)性。作者在參與研制國內(nèi)第一臺兩足溜冰機(jī)器人樣機(jī)的基礎(chǔ)上，深入研究了溜冰機(jī)器人的

2、姿態(tài)穩(wěn)定性、步態(tài)設(shè)計(jì)以及溜冰運(yùn)動(dòng)控制等幾個(gè)問題，為兩足溜冰機(jī)器人的步態(tài)設(shè)計(jì)和提高溜冰姿態(tài)穩(wěn)定性提供了理論依據(jù)。本文針對溜冰機(jī)器人的姿態(tài)穩(wěn)定性與步態(tài)規(guī)劃、溜冰運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等關(guān)鍵問題進(jìn)行研究，主要完成了以下工作： 從仿生學(xué)的角度出發(fā)設(shè)計(jì)兩足溜冰機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，根據(jù)溜冰運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)配置運(yùn)動(dòng)自由度，改進(jìn)了兩足溜冰機(jī)器人樣機(jī)的設(shè)計(jì)。溜冰機(jī)器人的每條腿上配置有6個(gè)自由度，可以實(shí)現(xiàn)基本的溜冰動(dòng)作。接著我們研究溜冰機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)以及逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問題

3、，采用Denavit-Hartenberg規(guī)則建立了溜冰機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并求得了運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題的解析解。 兩足溜冰機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)建模是進(jìn)行溜冰步態(tài)規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制的基礎(chǔ)，同時(shí)也是溜冰機(jī)器人研究的難點(diǎn)之一。我們從解耦的角度出發(fā)，去除側(cè)向和前向運(yùn)動(dòng)耦合的因素，在溜冰機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型的基礎(chǔ)上將溜冰運(yùn)動(dòng)解耦為前向和側(cè)向平面內(nèi)的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，推導(dǎo)出了前向和側(cè)向的動(dòng)力學(xué)顯式方程，該動(dòng)力學(xué)方程不僅可以用來計(jì)算關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩，控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，而且為步

4、態(tài)規(guī)劃提供了重要依據(jù)。本文提出了溜冰機(jī)器人的姿態(tài)及姿態(tài)穩(wěn)定性的概念，并仿照人的溜冰運(yùn)動(dòng)提出兩種基本的溜冰步態(tài)形式，即前進(jìn)葫蘆形溜冰和單腿蹬地溜冰步態(tài)(SLR)。我們將ZMP理論應(yīng)用到溜冰機(jī)器人的姿態(tài)穩(wěn)定性分析中，得到了溜冰運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)穩(wěn)定性判據(jù)。 根據(jù)溜冰姿態(tài)穩(wěn)定性判據(jù)，本文設(shè)計(jì)了姿態(tài)穩(wěn)定的單腿蹬地溜冰運(yùn)動(dòng)步態(tài)。首先根據(jù)機(jī)器人溜冰運(yùn)動(dòng)過程中應(yīng)滿足的約束條件，設(shè)計(jì)雙腳和軀干的運(yùn)動(dòng)軌跡，然后由幾何約束，計(jì)算其它各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡，再確定

5、運(yùn)行過程中的ZMP軌跡。在可變參數(shù)的有效范圍內(nèi)通過遍歷搜索，找到穩(wěn)定裕度最大的軌跡作為規(guī)劃結(jié)果。 我們對溜冰步態(tài)從能量消耗最優(yōu)的觀點(diǎn)上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了基于遞階式遺傳算法的溜冰步態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。求得能量消耗最少的溜冰步態(tài)有兩個(gè)方面的重要意義：首先，溜冰機(jī)器人被設(shè)計(jì)成自主式移動(dòng)機(jī)器人，如果溜冰步態(tài)所需能量消耗最少，就意味著機(jī)器人可以自主運(yùn)動(dòng)的時(shí)間長；其二是根據(jù)HarvardUniversity的著名仿生學(xué)家T.A.MeMaho

6、n的研究成果，人類的步行運(yùn)動(dòng)從生物力學(xué)的觀點(diǎn)上來看是能量消耗最少的。我們有理由相信人的溜冰運(yùn)動(dòng)也是以最少的能量輸入產(chǎn)生最大前進(jìn)運(yùn)動(dòng)速度為目的的一種運(yùn)動(dòng)方式。 本文研究了溜冰機(jī)器人的溜冰運(yùn)動(dòng)控制方法，提出了由關(guān)節(jié)空間位置控制器、地面反力控制器組成的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。位置控制器主要完成溜冰機(jī)器人關(guān)節(jié)空間中的位置伺服控制，鑒于溜冰機(jī)器人系統(tǒng)本身的高度非線性及運(yùn)動(dòng)過程中的大量隨機(jī)干擾以及系統(tǒng)建模誤差，我們構(gòu)建了一種自適應(yīng)變結(jié)構(gòu)控制器。系統(tǒng)不

7、確定性采用自適應(yīng)控制進(jìn)行在線辨識，同時(shí)非參數(shù)不確定和估計(jì)誤差采用變結(jié)構(gòu)項(xiàng)消除，并且魯棒增益隨著辨識參數(shù)的收斂而遞減。地面反力的存在有可能導(dǎo)致溜冰運(yùn)動(dòng)失敗，地面反力的阻抗控制主要消除地面反作用力對姿態(tài)穩(wěn)定性的影響。阻抗控制是一種主動(dòng)柔順控制方法，通過調(diào)整反饋位置誤差、速度誤差來達(dá)到控制力的目的。溜冰機(jī)器人的阻抗控制即通過改變溜冰機(jī)器人支撐腳的負(fù)載阻抗來保證機(jī)器人以一定的柔性與地面接觸，這樣可以提高溜冰運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)穩(wěn)定性。 最后我們構(gòu)