本文關(guān)鍵詞：欠驅(qū)動(dòng)雙足機(jī)器人高效行走控制研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《浙江大學(xué)》 2015年

欠驅(qū)動(dòng)雙足機(jī)器人高效行走控制研究

唐沖  

【摘要】：相對(duì)于輪式運(yùn)動(dòng)和履帶式運(yùn)動(dòng),雙足運(yùn)動(dòng)有著較好的環(huán)境適應(yīng)能力,并且基于雙足運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)機(jī)器人具有接近于人類的運(yùn)動(dòng)方式,可以更好地代替人類從事一些具有危險(xiǎn)性的工作。然而,目前雙足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中的高能耗問題已經(jīng)成為了阻礙雙足機(jī)器人應(yīng)用的一個(gè)重要問題,因此,高效行走問題成為了雙足運(yùn)動(dòng)控制中的一個(gè)熱點(diǎn)問題。本文主要從關(guān)節(jié)輔助裝置以及雙足行走控制器方面加以考慮,旨在使雙足機(jī)器人可以形成高效穩(wěn)定的行走步態(tài)。 首先,本文以踝關(guān)節(jié)欠驅(qū)動(dòng)的圓規(guī)式機(jī)器人為研究對(duì)象,研究安裝于機(jī)器人胯關(guān)節(jié)處的機(jī)械約束裝置對(duì)于行走高效性以及穩(wěn)定性的影響。通過在相同的恒值力矩輸入的情況下對(duì)比不同的關(guān)節(jié)限位方式,首次得出了回?cái)[限位更加適合機(jī)器人在水平路面上行走的結(jié)論。通過與時(shí)間放縮控制以及虛約束步態(tài)生成方法相對(duì)比,揭示了恒力矩驅(qū)動(dòng)結(jié)合回?cái)[限位方式可以實(shí)現(xiàn)更加高效的行走步態(tài)。通過分析不同步長以及不同的力矩輸入下行走步態(tài)的穩(wěn)定性,可以發(fā)現(xiàn)：隨著步長的增加,行走步態(tài)的穩(wěn)定性逐漸由開環(huán)穩(wěn)定變?yōu)椴环�(wěn)定。對(duì)于不穩(wěn)定的大步長行走步態(tài),提出了基于事件的反饋控制方法加以鎮(zhèn)定,實(shí)現(xiàn)了高效穩(wěn)定的行走步態(tài)。 其次,本文針對(duì)踝關(guān)節(jié)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人穩(wěn)定行走的控制方法進(jìn)行了研究。將比較常用的踝關(guān)節(jié)欠驅(qū)動(dòng)平面雙足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了總結(jié)與分類,以最常用的五連桿型雙足機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型為例,揭示了踝關(guān)節(jié)欠驅(qū)動(dòng)平面雙足機(jī)器人行走過程中圍繞支撐點(diǎn)的角動(dòng)量三階導(dǎo)數(shù)與控制量相關(guān),并且根據(jù)這一特征,首次提出了一種基于移動(dòng)龐加萊截面的橫向坐標(biāo)變換方法。根據(jù)這一方法,機(jī)器人行走過程中連續(xù)階段的軌跡跟蹤問題可以轉(zhuǎn)化為一個(gè)具有不確定項(xiàng)的線性定常系統(tǒng)關(guān)于坐標(biāo)原點(diǎn)的穩(wěn)定控制問題。之后給出了結(jié)合龐加萊映射的反饋控制器設(shè)計(jì)方法,得到用于步態(tài)鎮(zhèn)定的狀態(tài)反饋控制器。然后以胯關(guān)節(jié)帶有機(jī)械約束的圓規(guī)式機(jī)器人為例進(jìn)行仿真,結(jié)果表明基于橫向坐標(biāo)變換的控制器可以將開環(huán)不穩(wěn)定的行走步態(tài)進(jìn)行鎮(zhèn)定。通過將橫向坐標(biāo)變換的反饋控制器與基于事件的反饋控制器進(jìn)行對(duì)比,本文提出的方法在收斂域和收斂速度方面均具有一定的優(yōu)勢。 最后,本文將帶有機(jī)械約束裝置的高效行走方式推廣到踝關(guān)節(jié)欠驅(qū)動(dòng)的三維圓規(guī)式機(jī)器人模型中。該機(jī)器人在踝關(guān)節(jié)處存在兩個(gè)欠驅(qū)動(dòng)自由度以及一個(gè)主動(dòng)胯關(guān)節(jié)自由度。針對(duì)不穩(wěn)定的開環(huán)行走步態(tài),本文首次提出了一種離散橫向線性化的方法將機(jī)器人極限環(huán)步態(tài)的鎮(zhèn)定問題近似為離散周期線性系統(tǒng)的鎮(zhèn)定問題,根據(jù)離散線性二次型調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法求解出周期反饋控制器,將目標(biāo)極限環(huán)進(jìn)行鎮(zhèn)定。仿真結(jié)果表明,本文的方法可以控制三維圓規(guī)式機(jī)器人穩(wěn)定行走。通過與常規(guī)的基于事件的反饋控制進(jìn)行對(duì)比,本文提出的離散橫向線性化控制器有著更大的收斂域以及更快的收斂速度,充分說明了該方法的優(yōu)越性。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TP242
【目錄】：

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3 廖紹輝;雙足機(jī)器人幾何建模及運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的研究[D];大連交通大學(xué);2008年

4 邊琦;基于雙足機(jī)器人的步行研究[D];北京郵電大學(xué);2009年

5 劉志川;雙足機(jī)器人的步態(tài)控制研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2009年

6 宋憲璽;雙足機(jī)器人的建模與穩(wěn)定性分析[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2010年

7 李恒楠;雙足機(jī)器人行走穩(wěn)定性控制方法與實(shí)驗(yàn)研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2009年

8 潘亞賓;雙足機(jī)器人目標(biāo)識(shí)別與跟蹤方法研究[D];江南大學(xué);2011年

9 李秀梅;雙足機(jī)器人仿生足部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)研究[D];杭州電子科技大學(xué);2011年

10 李建;雙足機(jī)器人的倒立擺模型及其控制研究[D];山東大學(xué);2005年

  本文關(guān)鍵詞：欠驅(qū)動(dòng)雙足機(jī)器人高效行走控制研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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