双足机器人高效行走的自适应控制研究
发布时间：2020-12-06 07:29
双足机器人相比于轮式和履带式机器人,具有更强的环境适应性,可以配合或代替人类完成较为复杂和危险的工作,是移动机器人未来发展的趋势。然而,行走能效低和稳定性差是阻碍双足机器人实际应用的两大难题。学者们在行走控制研究的过程中发现能效和稳定性往往互相制约,因此如何在高能效的基础上实现高稳定性的行走成为亟待解决的问题。本文针对这一问题,应用欠驱动行走在能效方面的优势,设计高效的行走步态;并在此基础上,设计较高自适应性的控制器以提升高能效步态的稳定性。通过理论分析和实验验证,为高效行走的实际应用提供支撑。本文所做的工作集中在以下三个方面:首先,为了提高欠驱动双足行走的抗扰动性能,本文提出了一种平面欠驱动双足行走自抗扰控制器的设计方法。该方法基于横向坐标变换的控制思路,针对横向坐标变换中需要进行线性化近似造成的抗扰动性差的缺陷,给出在以角动量为状态变量的系统中,一种串级式的自抗扰控制器设计框架。本文以圆规式双足机器人为例给出高效的行走步态,并进一步给出自抗扰控制器的具体设计过程,通过仿真与其他控制方法进行比较,验证了该方法在面对扰动时具有更快的收敛速度。其次,考虑到上述控制方法仍依赖于机器人模型,...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：142 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２日本ＫＡＷＡＤＡ和ＡＩＳＴ共同开发的ＨＲＰ系列双足机器人??
图１．１日本早稻田大学和本田公司设计的双足机器人??人ＡＳＩＭＯ于２０００年亮栢，至今已完成了四次大规模的更新升级，该款机器人在很长一段??时间内代表了全驱动机器人的最高水平。当前最新款ＡＳＩＭＯ?（如图１．１（ｄ）所示）高１．２ｍ，??重４８公斤，依靠本田公司研究的“丨－ＷＡＬＫ”技术，ＡＳＩＭＯ可以实现在不平整路面上的行??走｜８］。除此之外，ＡＳＩＭＯ也可以实现在全驱动机器人中罕见的奔跑和跳跃动作，奔跑速度??为?９ｋｍ／ｈ［９：１０１。??Ｉ??＃兔?＼）％?於??身％銲｜??（ａ）?ＨＲＰ－２?（ｂ）?ＨＲＰ－３?（ｃ）?ＨＲＰ－４?（ｄ）?ＨＲＰ－４Ｃ??图１．２日本ＫＡＷＡＤＡ和ＡＩＳＴ共同开发的ＨＲＰ系列双足机器人??曰本双足机器人的另外一个具有代表性的机器人系列是ＨＲＰ系列机器人，以ＨＲＰ－２最??为著名。ＨＲＰ－２?（如图丨．２（ａ）所示）由日本川田工业株式会社（ＫＡＷＡＤＡ）和国立先进工??业科学技术研究所（ＡＩＳＴ）共同设计开发，该机器人高１．５３ｍ，重５８ｋｇ，拥有３０个自由度，??自２００１年开发完成之后，就作为通用机器人平台一直沿用至今，在世界性机器人大赛上基??于该平台的机器人系统仍然频繁亮相并取得好的成绩１１１１。继ＨＲＰ－２之后，ＫＡＷＡＤＡ又先??３??
?１?绪论??后推出了?ＨＲＰ－３［１２］，ＨＲＰ－４和具有人类面孔的ＨＲＰ－４Ｃ机器人｜１３］（如图１．２（ｂ）（ｃ）（ｄ）所示）。??以ＨＲＰ－４为例，该机器人高度为１．５１ｍ，重量为３９ｋｇ，拥有３４个自由度，该款机器人已经开??始注重轻量化设计，并进一步在运动能效和同人类协作的安全性方面进行考虑［１４］。??．圓幽??躺麵??（ａ）?ＳＣＨＡＦＴ?（ｂ）?ＳＣＨＡＦＴ新款机器人?（ｃ）腱悟郎（Ｋｅｎｇｏｒｏ）??图１．３日本ＪＳＫ实验室设计的双足机器人??出自堪称日本最强人形机器人实验室ＪＳＫ实验室的ＳＣＨＡＦＴ团队，近年来凭借多款??性能优异的机器人，在业内得到了人们的关注。在２０１３年的ＤＡＲＰＡ机器人挑战赛上，??ＳＣＨＡＦＴ团队的ＳＣＨＡＦＴ机器人（如图１．３（ａ）所示）轻松完成所有任务取得了该项比赛的冠??军。在被谷歌收购后，该团队于２０１６年东京ＮＥＳＴ展会上公布了如图１．３（ｂ）所示的双足机器??人，由于该款机器人尚未正式发布，暂时还没有名字。该款机器人采用了特殊的自由度配??置方案，使用线性驱动装置代替传统的膝关节实现腿部伸缩；将躯干部分降低至双腿中??间
本文编号：2900972
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：142 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２日本ＫＡＷＡＤＡ和ＡＩＳＴ共同开发的ＨＲＰ系列双足机器人??
图１．１日本早稻田大学和本田公司设计的双足机器人??人ＡＳＩＭＯ于２０００年亮栢，至今已完成了四次大规模的更新升级，该款机器人在很长一段??时间内代表了全驱动机器人的最高水平。当前最新款ＡＳＩＭＯ?（如图１．１（ｄ）所示）高１．２ｍ，??重４８公斤，依靠本田公司研究的“丨－ＷＡＬＫ”技术，ＡＳＩＭＯ可以实现在不平整路面上的行??走｜８］。除此之外，ＡＳＩＭＯ也可以实现在全驱动机器人中罕见的奔跑和跳跃动作，奔跑速度??为?９ｋｍ／ｈ［９：１０１。??Ｉ??＃兔?＼）％?於??身％銲｜??（ａ）?ＨＲＰ－２?（ｂ）?ＨＲＰ－３?（ｃ）?ＨＲＰ－４?（ｄ）?ＨＲＰ－４Ｃ??图１．２日本ＫＡＷＡＤＡ和ＡＩＳＴ共同开发的ＨＲＰ系列双足机器人??曰本双足机器人的另外一个具有代表性的机器人系列是ＨＲＰ系列机器人，以ＨＲＰ－２最??为著名。ＨＲＰ－２?（如图丨．２（ａ）所示）由日本川田工业株式会社（ＫＡＷＡＤＡ）和国立先进工??业科学技术研究所（ＡＩＳＴ）共同设计开发，该机器人高１．５３ｍ，重５８ｋｇ，拥有３０个自由度，??自２００１年开发完成之后，就作为通用机器人平台一直沿用至今，在世界性机器人大赛上基??于该平台的机器人系统仍然频繁亮相并取得好的成绩１１１１。继ＨＲＰ－２之后，ＫＡＷＡＤＡ又先??３??
?１?绪论??后推出了?ＨＲＰ－３［１２］，ＨＲＰ－４和具有人类面孔的ＨＲＰ－４Ｃ机器人｜１３］（如图１．２（ｂ）（ｃ）（ｄ）所示）。??以ＨＲＰ－４为例，该机器人高度为１．５１ｍ，重量为３９ｋｇ，拥有３４个自由度，该款机器人已经开??始注重轻量化设计，并进一步在运动能效和同人类协作的安全性方面进行考虑［１４］。??．圓幽??躺麵??（ａ）?ＳＣＨＡＦＴ?（ｂ）?ＳＣＨＡＦＴ新款机器人?（ｃ）腱悟郎（Ｋｅｎｇｏｒｏ）??图１．３日本ＪＳＫ实验室设计的双足机器人??出自堪称日本最强人形机器人实验室ＪＳＫ实验室的ＳＣＨＡＦＴ团队，近年来凭借多款??性能优异的机器人，在业内得到了人们的关注。在２０１３年的ＤＡＲＰＡ机器人挑战赛上，??ＳＣＨＡＦＴ团队的ＳＣＨＡＦＴ机器人（如图１．３（ａ）所示）轻松完成所有任务取得了该项比赛的冠??军。在被谷歌收购后，该团队于２０１６年东京ＮＥＳＴ展会上公布了如图１．３（ｂ）所示的双足机器??人，由于该款机器人尚未正式发布，暂时还没有名字。该款机器人采用了特殊的自由度配??置方案，使用线性驱动装置代替传统的膝关节实现腿部伸缩；将躯干部分降低至双腿中??间
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