双足机器人欠驱动动态步行仿人运动控制研究

论文摘要

双足机器人具有广阔的应用前景,是近年来机器人学领域的研究热点之一。但就目前发展水平来看,还远未达到人类期望的大范围动态步行水平,具体表现为运动性能较差,存在能耗高、速度低、环境适应能力低等问题。欠驱动双足机器人是为了研究快速、自然动态步行而提出的一种机器人结构。机器人没有脚掌,与地面点接触形成欠驱动系统,这给机器人的稳定控制带来巨大挑战。机器人不能形成稳定域,静止站立十分困难;需要通过不断变换支撑点位置实现动态平衡。但由于欠驱动机器人可以充分利用重力和惯性力,其步态具有高效、高速、动作自然等特点,为双足机器人运动控制研究提供了新的思路。针对目前欠驱动双足机器人足地间接触假设性条件过多等问题,提出了一种从实际角度考虑的双足机器人行走动力学特性模型,包含足地间接触关系和反映人类自然行走的膝关节限制特性,为控制策略设计提供基础。以“仿人”、“仿生”为指导,深入分析人类行走过程中的运动机理,运用仿人智能控制的研究方法,提出了欠驱动双足步行仿人运动控制方案。对双足动态步行这一复杂任务分解,研究仿人智能控制理论在步行控制中的特征选择、控制模态的确定等关键技术,实现欠驱动双足行走机器人高效能动态步行,并与其它典型控制策略开展仿真比较研究。针对欠驱动双足机器人步行过程中环境不确定性问题,指出不摔倒是稳定性的重要表征,当双足步行过程受到干扰时,原有的步态模式不能继续保持,就需要进行调整以适应变化。通过模仿人的控制行为,实时判断系统出现的不稳定趋势,提出能够保持机器人不摔倒的稳定性监控方案,以适当的控制量对欠驱动双足行走机器人进行在线步态调整保证系统运行,分析了实现步态调整后双足机器人的稳定性。充分利用开源软件的优越性,建立了一个通用的基于开源物理引擎的双足机器人步行控制研究仿真平台。通过抽象仿真平台的开发过程,设计了计算机与开发人员都可以理解的结构表以提高仿真平台的品质,进而设计双足机器人仿真平台的开发框架,在该框架下实现具有实用性的仿真平台,并注重开放性、灵活性和简洁性,为双足机器人仿真平台的设计者展示了一条快捷方便的开发途径。设计了基于CAN总线集中式控制结构的双足机器人样机系统,解决关节实时驱动控制器和地面力测量装置中存在的软硬件设计问题,感知系统实时监测双足机器人自身状态的各项指标,同时从外界环境中采集各种有用信息,而双足机器人的控制系统则根据感知系统提供的各种信息,对驱动系统进行控制,使双足机器人实现双足步行功能,对关节控制器提出应用仿人智能控制策略以抑制驱动电机转矩脉动。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 双足机器人步行控制研究的背景和意义
• 1.2 双足机器人国内外研究状况
• 1.2.1 主动双足行走机器人
• 1.2.2 被动双足行走机器人
• 1.2.3 欠驱动双足行走机器人
• 1.3 欠驱动双足行走机器人步行控制存在的问题
• 1.4 本文的研究工作
• 1.5 本章小结
• 2 欠驱动双足行走机器人模型
• 2.1 人类快速运动中的欠驱动现象
• 2.2 现有欠驱动双足行走机器人模型
• 2.3 欠驱动双足行走机器人系统模型
• 2.3.1 基于Lagrange 方法的动力学方程
• 2.3.2 足地间法向接触
• 2.3.3 足地间切向接触
• 2.3.4 类人膝关节限制
• 2.3.5 模型仿真实验
• 2.4 本章小结
• 3 欠驱动双足机器人仿人动态步行控制
• 3.1 基于动觉智能图式的仿人智能控制理论
• 3.1.1 前期仿人智能控制理论
• 3.1.2 基于动觉智能图式的仿人智能控制
• 3.1.3 基于动觉智能图式的仿人智能控制器的设计
• 3.2 双足动态步行控制复杂任务分解
• 3.2.1 人类自然快速步行运动机理
• 3.2.2 双足动态步行仿人运动姿态
• 3.2.3 双足动态步行目标动作阶段划分
• 3.3 图式群的时序协调—时序规划图式
• 3.4 双足动态步行动觉智能图式群
• 3.5 双足动态步行控制实现
• 3.5.1 双足动态步行控制仿真
• 3.5.2 双足动态步行稳定性
• 3.5.3 双足欠驱动行走高能效分析
• 3.6 仿真对比实验及结果分析
• 3.6.1 典型步态控制方法
• 3.6.2 实验结果对比
• 3.7 本章小结
• 4 欠驱动双足机器人仿人自适应步态稳定控制
• 4.1 双足运动不确定性环境
• 4.1.1 不确定性环境
• 4.1.2 运动稳定性
• 4.2 双足机器人实时步态生成
• 4.3 双足机器人仿人控制任务自适应
• 4.3.1 仿人智能控制稳定性监控
• 4.3.2 双足机器人稳定性监控级设计
• 4.3.3 双足动态步行受扰
• 4.3.4 双足不平整地面步行
• 4.3.5 双足受扰站立
• 4.4 本章小结
• 5 双足机器人通用仿真平台及样机系统设计
• 5.1 基于ODE 的开放式双足机器人仿真平台
• 5.1.1 ODE 引擎与双足机器人仿真
• 5.1.2 基于ODE 的双足机器人仿真平台设计
• 5.1.3 双足机器人仿真平台实现
• 5.1.4 双足机器人步行控制仿真实验
• 5.2 双足机器人样机控制系统设计
• 5.2.1 双足机器人感知系统
• 5.2.2 双足机器人驱动系统
• 5.2.3 双足机器人CAN 总线通信
• 5.2.4 双足机器人控制系统整体结构
• 5.3 双足机器人关节控制器设计
• 5.3.1 关节实时控制系统硬件设计
• 5.3.2 关节实时控制系统软件设计
• 5.3.3 基于仿人智能控制的换相转矩脉动抑制
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 主要研究工作总结及创新点
• 6.2 后续研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读博士学位期间参加科研项目
• C. 欠驱动双足行走机器人动力学方程