双足机器人建模分析及其运动控制研究

发布时间：2020-04-30 10:08

【摘要】：双足机器人运动问题表现为系统模型复杂、工程实现难度高的特点。该领域涵盖了混合非线性模型,欠驱动系统,环境交互等相关难点问题,从理论和应用实践角度看都是机器人领域里一类代表性的问题。双足机器人连续系统的离散化带来的维数灾难使得问题的全部解难以求得,所以一直以来专家和学者们都在致力于寻求有效的手段和方法。近些年来随着工程技术手段的不断进步,理论算法上的一些发展,产生了一批性能更加卓越的成果,将该领域的研究带到了一个新的热点位置。结合当前该领域的发展现状,本文研究双足机器人简化模型、全身运动模型、关节驱动控制与样机研制四个问题。双足机器人的低维简化模型能够反映双足机器人运动的本质特征,便于上层的运动规划。本文分析代表性的三类点质量模型。首先,分析弹簧倒立摆模型(SLIP)及其变体构型下的被动模型的自稳定能力,比较几种腿式机器人常用机构构型的自稳定性与弹簧倒立摆模型之间的关系。其次,研究基于线性倒立摆模型(LIPM)的模型预测控制技术。提出借助摆动腿惯量调节偏航角动量的控制方法。最后,弱化通用点质量模型逐段线性化的假设条件,设计了滑模控制器,并在相空间里刻画了鲁棒性图谱。双足机器人的高维全身运动模型可以将运动规划轨迹映射到关节空间,给出实现上层运动规划所需的关节力矩或位置。本文通过对双足机器人的浮动坐标系添加虚拟自由度,将欠驱动系统转化为全驱动系统。在操作空间框架下推导基于任务的逆动力学解析解,实现了实时解算逆动力学,任务分配层次清晰,与上层简化点质量模型兼容性好。通过对该框架进行实时仿真计算,以带有被动踝关节的双足机器人模型为例,研究在全身操作空间控制框架下的抗干扰稳定运动控制,验证该框架的有效性。双足机器人全身运动模型解算关节力矩通过关节驱动器实现。为了解决双足机器人足-地碰撞的缓冲问题,本文研制液压SEA实现变刚度控制,设计基于液压SEA的平面双足机器人实验平台,机构构型上模拟弹簧倒立摆模型。针对所研制平台关节的非线性传动机构提出两种变刚度控制方法以解决关节传动中存在的非线性问题,并通过实验验证了所提出变刚度控制方法的有效性和对于足-地碰撞缓冲的有效性。针对液压驱动器出力能力强、负载刚度高、直线输出等特点,本文研制液压驱动的双足机器人样机,针对液压驱动器的特点优化设计机器人关节和关键零部件。针对电气系统实时性控制和集成度的需要,设计了嵌入式和多线程的控制架构。针对液压系统油压高的特点,优化液压缸结构设计和液压油管的走线方式。最后,对基于线性倒立摆的模型预测控制以及角动量控制开展行走实验测试,验证双足机器人样机平台性能与运动控制方法的有效性与不足。
【图文】：

图 1-1 Boston Dynamics 的双足系列机器人Fig. 1-1 The series of biped robots developed by Boston Dynamics图 1-2 Boston Dynamics 的最新版人形机器人 Altas 展示后空翻和室外跑步能力Fig. 1-2 The latest version of Atlas from Boston Dynamics shows backflipping and running

视频,草地,体操运动员,步跳

- 13 -图 1-2 Boston Dynamics 的最新版人形机器人 Altas 展示后空翻和室外跑步能力g. 1-2 The latest version of Atlas from Boston Dynamics shows backflipping and runn2017 年 11 月，，Boston Dynamics 公布了后空翻的视频，如图 1-2 左图 Atlas 先是经过几步跳跃跨过了作为障碍物的箱体，接着跳上一个高台上完成了 360 度后空翻，并稳定的站在了地面上。虽然视频尾部给出的插花，说明并非该能力足够稳定，但这也已经超越平均人类的运动能了体操运动员的水平，展示了出色的角动量控制和机器人关节的爆发8 年 5 月，Boston Dynamics 又公布了户外草地小跑的视频，如图 1-2 右该视频里 Atlas 可以在草地上自如的奔跑，稳定性较好，并且可以识别
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP242

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