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基于被动性和欠驱动性的双足机器人运动控制研究

作　者: 胡勇
导　师: 颜钢锋; 林志赟
学　校: 浙江大学
专　业: 电气工程
关键词: 双足运动混杂系统欠驱动系统被动行走平衡控制被动奔跑
分类号: TP242
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

双足仿人机器人在环境适应性和人机交互的亲和力等方面具有很大的优势,但利用现有双足运动控制理论和技术实现的双足运动在效率和灵活性上和人类的双足运动相比还有非常大的差距。受人类双足运动的被动性和欠驱动性启发,本文结合了基于被动的控制,能量塑造控制,混杂零动态控制,时间放缩控制等方法,从被动性和欠驱动性的角度研究稳定、灵活、高效的双足运动控制方法。总的来说,本文的研究工作集中在如下几个方面：首先,针对基于被动的全驱动双足机器人,本文提出结合时间放缩和能量塑造的方法设计对应不同步长和步速的参考轨迹和过渡轨迹,采用反馈线性化的方法设计控制来扩大系统的收敛域,给出了每一步开始时刻更新的控制器条件,使步态响应轨迹和参考轨迹之间的误差渐近地收敛到零。首次从理论上解决了基于被动的全驱动双足机器人变步幅、变步速以及适应复杂环境的稳定行走控制问题,极大地提高了运动的灵活性。其次,针对考虑欠驱动自由度的双足机器人的平衡站立控制问题,本文利用虚拟完整性约束方法,把机器人驱动关节的角度指定为支撑脚脚板与地面夹角的函数,给出了单脚稳定平衡站立所能承受的外界扰动范围的理论分析方法。当扰动较大,无法实现单脚平衡时,虚拟完整性约束会保证机器人变成双脚支撑状态以避免翻倒,这种扰动下的平衡动作和人非常类似。另外,针对一种特殊的欠驱动平衡站立问题—机器人单脚脚尖平衡站立,本文也首次从理论上给出了虚拟完整性约束设计条件和收敛域估计方法。再次,针对更一般的欠驱动自由度为一的n自由度的双足机器人,本文首次提出结合时间放缩控制和受控对称性方法来设计统一的反馈控制器,成功实现了欠驱动机器人从一个原始的步态(这个原始的步态既可以是特定斜坡上的一个被动的极限环,也可以是主动控制作用下机器人在地面上产生的一个周期性的行走步态)产生不同斜坡上的周期性步态,并给出了不同斜坡上周期性步态存在性和稳定性的充分必要条件,应用该方法可以极大提高欠驱动双足运动的灵活性和适应性。最后,本文研究了一种带有储能机构的欠驱动双足机器人的稳定奔跑问题,以其平地上存在的自然的被动奔跑极限环为基础,给出了反馈控制器设计方法,实现水平地面上稳定、节能的奔跑运动。基于文中的控制策略,在理想状态下,奔跑的步态收敛到被动的极限环上之后,系统将没有能量消耗,这一结论对于实现双足机器人高效的类人运动具有重要启示。针对提出的控制器设计方法,本文在相应的各个章节给出了详细的理论分析,并通过数字仿真进行验证。

全文目录

致谢  5-7
摘要  7-9
Abstract  9-11
目次  11-15
主要符号对照表  15-16
术语表  16-18
图目录  18-21
表目录  21-22
1 绪论  22-38
  1.1 引言  22-23
  1.2 双足运动控制方法概述  23-35
    1.2.1 基于ZMP的控制  23-25
    1.2.2 基于被动的控制  25-27
    1.2.3 劳斯规约法  27-28
    1.2.4 人类生物学启发控制  28-29
    1.2.5 时间放缩控制  29-30
    1.2.6 混杂零动态控制  30-33
    1.2.7 横向线性化方法  33-35
  1.3 本文的研究内容和结构概述  35-38
2 预备知识  38-48
  2.1 引言  38
  2.2 双足行走动力学模型  38-43
    2.2.1 拉格朗日方程  38-39
    2.2.2 行走碰撞模型  39-40
    2.2.3 全系统混杂模型  40-43
  2.3 不变集原理  43-45
  2.4 Bezier多项式  45
  2.5 受控对称性  45-46
  2.6 小结  46-48
3 基于被动的全驱动双足机器人变步速和步长反馈控制  48-66
  3.1 引言  48-49
  3.2 足行走的混杂动力学模型  49
  3.3 在理想倾斜平面上的稳定行走  49-51
    3.3.1 基于受控对称性和被动性的控制策略  49-50
    3.3.2 反馈线性化方法  50-51
    3.3.3 控制性能比较  51
  3.4 复杂环境下的稳定行走  51-63
    3.4.1 可调步长和步速的轨迹设计  53-57
    3.4.2 稳定性分析  57-60
    3.4.3 实例和仿真结果  60-63
  3.5 小结  63-66
4 考虑欠驱动性的双足机器人平衡站立控制  66-92
  4.1 引言  66-67
  4.2 机器人平衡站立模型  67-69
    4.2.1 单脚支撑阶段  68
    4.2.2 碰撞模型  68-69
  4.3 虚拟完整性约束和零动态  69-71
  4.4 稳定性分析  71-80
    4.4.1 带有扰动的单脚支撑站立  71-74
    4.4.2 对于机器人关节锁定的特殊情况  74-78
    4.4.3 立于脚尖  78-80
  4.5 实例和仿真结果  80-90
    4.5.1 扰动下的站立  82-84
    4.5.2 立于脚尖  84-90
  4.6 小结  90-92
5 欠驱动双足机器人行走步态生成和控制  92-120
  5.1 引言  92-93
  5.2 系统模型和假设  93-94
  5.3 受控对称性的推广  94-95
  5.4 时间放缩控制  95-105
    5.4.1 控制方法设计  96-98
    5.4.2 步态的存在性条件  98-100
    5.4.3 步态的周期性条件  100-102
    5.4.4 步态的稳定性条件  102-104
    5.4.5 平面机器人的特殊性质  104-105
  5.5 实例和仿真结果  105-116
    5.5.1 圆规机器人  105-112
    5.5.2 连杆双足机器人  112-116
  5.6 小结  116-120
6 带有储能机构的欠驱动平面双足机器人奔跑控制  120-140
  6.1 引言  120-121
  6.2 机器人奔跑的动力学模型  121-126
    6.2.1 单脚支撑阶段模型  122-124
    6.2.2 腾空阶段模型  124
    6.2.3 状态转换模型  124-126
    6.2.4 全系统混杂模型  126
  6.3 奔跑运动的被动极限环  126-130
  6.4 被动极限环的稳定性  130
  6.5 基于事件的稳定控制器  130-132
  6.6 扩大极限环收敛域  132-136
  6.7 小结  136-140
7 总结与展望  140-146
  7.1 全文总结  140-142
  7.2 研究展望  142-146
参考文献  146-176
索引  176-178
作者简历  178
攻读博士学位期间巳发表的学术论文  178-179
申请中的专利  179

基于被动性和欠驱动性的双足机器人运动控制研究

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