兼顧穩(wěn)定與靈活的欠驅(qū)動雙足機器人奔跑運動控制研究.pdf

1、欠驅(qū)動雙足機器人是實現(xiàn)高速高效雙足運動的良好平臺，但其穩(wěn)定性與靈活性一直是控制領(lǐng)域的難點?，F(xiàn)今快速奔跑欠驅(qū)動機器人往往只具備單一固定步態(tài)，缺乏對步長和步速的調(diào)節(jié)，在受到外界擾動或不平整地面環(huán)境時極易摔倒。針對這些難點，本文以欠驅(qū)動奔跑機器人為研究對象，設(shè)計了一系列欠驅(qū)動控制策略并提出一類新的奔跑運動準(zhǔn)則，兼顧了欠驅(qū)動機器人穩(wěn)定性與靈活性的運動指標(biāo)。本文研究的工作集中在以下三個方面:
　　首先，針對多自由欠驅(qū)動機器人往往只具有單一步

2、態(tài)，難以進行步態(tài)調(diào)節(jié)的缺陷，本文設(shè)計了欠驅(qū)動自由度為2的四連桿被動機器人，這個機器人在平整地面上存在一個不需要外部控制輸入的被動極限環(huán)。在這個模型上結(jié)合受控的拉格朗日方法、基于事件的方法和能量成形控制，實現(xiàn)了欠驅(qū)動自由度為2的奔跑機器人穩(wěn)定的步態(tài)調(diào)節(jié)，增強了欠驅(qū)動機器人的運動靈活性。
　　其次，機器人系統(tǒng)穩(wěn)定性要求其狀態(tài)為周期性極限環(huán)，而靈活性允許其狀態(tài)為任意非周期軌跡。針對奔跑過程中穩(wěn)定性與靈活性要求的矛盾，本文提出一類新的奔跑

3、運動性能指標(biāo):奔跑持續(xù)性指標(biāo)，以保證機器人能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)的奔跑運動而不摔倒。這與機器人實際平穩(wěn)運動要求相符，為實現(xiàn)機器人靈活多樣的運動形式提供理論依據(jù)。在此指標(biāo)下提出了奔跑持續(xù)性準(zhǔn)則，基于彈簧-倒立擺模型研究機器人質(zhì)心位置、速度以及地面反作用力間的相互關(guān)系，并計算奔跑可行狀態(tài)的集合。當(dāng)機器人系統(tǒng)狀態(tài)始終在奔跑可行集內(nèi)，機器人即進行奔跑可持續(xù)運動。
　　最后，基于奔跑持續(xù)性準(zhǔn)則提出奔跑機器人在受擾環(huán)境下的平衡控制策略，根據(jù)受擾后的質(zhì)心

4、速度和角度恒速著地碰撞策略設(shè)計平衡控制器，使得系統(tǒng)狀態(tài)始終沿著奔跑可行集的中心部分改變以適應(yīng)外部受擾環(huán)境，首次解決了欠驅(qū)動機器人奔跑過程中的推力-恢復(fù)問題以及不平整地面環(huán)境的適應(yīng)問題。實驗仿真結(jié)果驗證欠驅(qū)動機器人能夠在一步之內(nèi)達到新的奔跑可持續(xù)步態(tài)，欠驅(qū)動機器人在受擾環(huán)境下的平衡能力，是其真正適應(yīng)在人類物理環(huán)境的關(guān)建所在，推進了欠驅(qū)動機器人的實用化。
　　本文提出的控制器設(shè)計方法與奔跑持續(xù)性準(zhǔn)則，在相應(yīng)的各個章節(jié)給出了詳細(xì)的理論分