雙足機(jī)器人的模型與控制方法研究.pdf

1、隨著社會(huì)進(jìn)步，出現(xiàn)了各種新的問(wèn)題，如人口老齡化、各種環(huán)境污染的增多及殘疾人數(shù)量的增大，人們急需一種機(jī)器人來(lái)解決這些問(wèn)題。而雙足機(jī)器人與人類的形狀接近，能夠很容易適應(yīng)人類的生活環(huán)境；比輪式機(jī)器人容易在崎嶇的路面上行走；同時(shí)，它又是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性、自然不穩(wěn)定、動(dòng)力學(xué)模型突變和腳與地有限接觸的復(fù)雜控制系統(tǒng)，對(duì)控制科學(xué)提出了強(qiáng)烈的挑戰(zhàn)，從開(kāi)始就受到各國(guó)學(xué)者的重視。 由于雙足機(jī)器人的變量比較多，所以其運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型比較復(fù)雜

2、。本文建立了12自由度雙足機(jī)器人的正運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并利用牛頓-歐拉法建立了12自由度雙足機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型。雙足機(jī)器人在行走過(guò)程中，分為單腳支撐和雙腳支撐兩種情況，這也造成雙足機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型的突變。當(dāng)雙腳支撐時(shí)，兩只腳都受到地面的限制，因此造成雙足機(jī)器人關(guān)節(jié)自由度的冗余，在動(dòng)力學(xué)模型求逆時(shí)，產(chǎn)生奇異矩陣。本文采用兩種方法解決這個(gè)問(wèn)題：一是利用偽逆矩陣的方法來(lái)計(jì)算雙足機(jī)器人各關(guān)節(jié)處的扭矩；二是利用理論力學(xué)中力的平移原理對(duì)雙足機(jī)器

3、人兩腳底對(duì)地的作用力和扭矩進(jìn)行規(guī)劃。雙足機(jī)器人在快速向前運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，軀干的側(cè)向移動(dòng)比較小，可以忽略不計(jì)，僅考慮雙足機(jī)器人向前運(yùn)動(dòng)的情況即可，因此本文又利用拉格朗日法建立了平面7連桿雙足機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型，并用偽逆矩陣的方法解決雙腳支撐時(shí)自由度冗余問(wèn)題。 雙足機(jī)器人在靜止或運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，難免會(huì)受到各種沖擊，如障礙物的碰撞、快速行走過(guò)程中腳對(duì)地的沖擊等。本文利用沖量定理和沖量矩定理建立了由轉(zhuǎn)動(dòng)副連接的空間n連桿機(jī)構(gòu)的沖擊模型，為雙足機(jī)

4、器人所受沖擊的消除和利用奠定了基礎(chǔ)。現(xiàn)有的方法大都是消除或者避免沖擊，但本文認(rèn)為：對(duì)于那些有害的碰撞應(yīng)該消除，本文提出了一種快速消除的方法；而對(duì)于腳對(duì)地的沖擊，人類在快速運(yùn)動(dòng)或跑動(dòng)過(guò)程中，往往利用這個(gè)沖擊增強(qiáng)爆發(fā)力，從而提高運(yùn)動(dòng)速度，本文利用人類的這一特點(diǎn)提高了雙足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度并保證了雙足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。 雙足機(jī)器人系統(tǒng)本身的復(fù)雜性和環(huán)境的干擾，給雙足機(jī)器人控制系統(tǒng)帶來(lái)許多不確定性因素，如模型誤差和不可測(cè)量的外界干擾?；?/p>

5、?？刂朴捎诳刂平Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、快捷且具有較強(qiáng)的魯棒性而倍受青睞，本文利用滑?？刂品椒▽?duì)12自由度雙足機(jī)器人進(jìn)行軌跡跟蹤控制，仿真結(jié)果證明比較有效。但是，滑?？刂朴幸粋€(gè)天然的“抖振”缺陷，大大地限制了其應(yīng)用范圍，特別是規(guī)定的趨近率控制對(duì)不可測(cè)知的持續(xù)擾動(dòng)沒(méi)有作用，可能導(dǎo)致雙足機(jī)器人系統(tǒng)的不穩(wěn)定。而魯棒控制正是針對(duì)控制系統(tǒng)的不確定性因素來(lái)設(shè)計(jì)的，雖然魯棒控制不是最佳控制，但能以固定的控制器保證在不確定性破壞最嚴(yán)重的情況下滿足設(shè)計(jì)要求。本文利用魯棒

6、控制對(duì)平面7連桿雙足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了軌跡跟蹤控制，仿真結(jié)果顯示控制精度不如滑?？刂聘?，但平衡點(diǎn)附近的振動(dòng)比滑?？刂菩《嗔?。 面向?qū)ο蟮木幊趟枷胍约翱频碌拿嫦驅(qū)ο蟮姆治龊驮O(shè)計(jì)方法論為雙足機(jī)器人仿真平臺(tái)的建立提供了依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了雙足機(jī)器人仿真平臺(tái)的可移植性、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性等特點(diǎn)，為雙足機(jī)器人各種模型和控制算法的檢驗(yàn)提供了平臺(tái)。本文也利用三次樣條插值法對(duì)雙足機(jī)器人軀干中心、左腳底心和右腳底心這些關(guān)鍵點(diǎn)位姿進(jìn)行了軌跡規(guī)劃。最終的仿真