双足机器人的模型与控制方法研究

摘要

随着社会进步，出现了各种新的问题，如人口老龄化、各种环境污染的增多及残疾人数量的增大，人们急需一种机器人来解决这些问题。而双足机器人与人类的形状接近，能够很容易适应人类的生活环境；比轮式机器人容易在崎岖的路面上行走；同时，它又是一个多变量、强耦合、非线性、自然不稳定、动力学模型突变和脚与地有限接触的复杂控制系统，对控制科学提出了强烈的挑战，从开始就受到各国学者的重视。 由于双足机器人的变量比较多，所以其运动学和动力学模型比较复杂。本文建立了12自由度双足机器人的正运动学和逆运动学模型，并利用牛顿-欧拉法建立了12自由度双足机器人的动力学模型。双足机器人在行走过程中，分为单脚支撑和双脚支撑两种情况，这也造成双足机器人动力学模型的突变。当双脚支撑时，两只脚都受到地面的限制，因此造成双足机器人关节自由度的冗余，在动力学模型求逆时，产生奇异矩阵。本文采用两种方法解决这个问题：一是利用伪逆矩阵的方法来计算双足机器人各关节处的扭矩；二是利用理论力学中力的平移原理对双足机器人两脚底对地的作用力和扭矩进行规划。双足机器人在快速向前运动过程中，躯干的侧向移动比较小，可以忽略不计，仅考虑双足机器人向前运动的情况即可，因此本文又利用拉格朗日法建立了平面7连杆双足机器人的动力学模型，并用伪逆矩阵的方法解决双脚支撑时自由度冗余问题。 双足机器人在静止或运动过程中，难免会受到各种冲击，如障碍物的碰撞、快速行走过程中脚对地的冲击等。本文利用冲量定理和冲量矩定理建立了由转动副连接的空间n连杆机构的冲击模型，为双足机器人所受冲击的消除和利用奠定了基础。现有的方法大都是消除或者避免冲击，但本文认为：对于那些有害的碰撞应该消除，本文提出了一种快速消除的方法；而对于脚对地的冲击，人类在快速运动或跑动过程中，往往利用这个冲击增强爆发力，从而提高运动速度，本文利用人类的这一特点提高了双足机器人的运动速度并保证了双足机器人运动的稳定性。 双足机器人系统本身的复杂性和环境的干扰，给双足机器人控制系统带来许多不确定性因素，如模型误差和不可测量的外界干扰。滑模控制由于控制结构简单、快捷且具有较强的鲁棒性而倍受青睐，本文利用滑模控制方法对12自由度双足机器人进行轨迹跟踪控制，仿真结果证明比较有效。但是，滑模控制有一个天然的“抖振”缺陷，大大地限制了其应用范围，特别是规定的趋近率控制对不可测知的持续扰动没有作用，可能导致双足机器人系统的不稳定。而鲁棒控制正是针对控制系统的不确定性因素来设计的，虽然鲁棒控制不是最佳控制，但能以固定的控制器保证在不确定性破坏最严重的情况下满足设计要求。本文利用鲁棒控制对平面7连杆双足机器人的运动进行了轨迹跟踪控制，仿真结果显示控制精度不如滑模控制高，但平衡点附近的振动比滑模控制小多了。 面向对象的编程思想以及科德的面向对象的分析和设计方法论为双足机器人仿真平台的建立提供了依据，实现了双足机器人仿真平台的可移植性、可维护性和可扩展性等特点，为双足机器人各种模型和控制算法的检验提供了平台。本文也利用三次样条插值法对双足机器人躯干中心、左脚底心和右脚底心这些关键点位姿进行了轨迹规划。最终的仿真实验结果验证了前述模型和控制算法的正确性和有效性。同时，基于工控机，采用Google四轴ISA运动控制卡，建立了3自由度正交髋关节的实际控制系统，并利用滑模和鲁棒控制方法对髋关节进行了控制，进一步检验了控制方法的有效性。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1双足机器人的分类

1.2双足机器人的国外研究历史及现状

1.2.1 4自由度双足机器人

1.2.2 6自由度双足机器人

1.2.3 8自由度双足机器人

1.2.4 12自由度双足机器人

1.2.5其它双足机器人

1.3双足机器人的国内研究历史及现状

1.4双足机器人系统中应用的控制方法

1.5本文研究内容

第二章双足机器人的运动学和动力学模型

2.1 12自由度双足机器人机构

2.2双足机器人的运动学模型

2.2.1双足机器人的正运动学模型

2.2.2双足机器人的逆运动学模型

2.3 12自由度双足机器人的动力学模型

2.3.1正动力学模型

2.3.2逆动力学模型

2.4平面7连杆双足机器人的逆动力学模型

2.4.1单支撑期逆动力学模型

2.4.2双支撑期逆动力学模型

2.5小结

第三章双足机器人的冲击模型

3.1双足机器人的冲击模型

3.2冲击模型的求解

3.3小结

第四章双足机器人的控制方法研究

4.1双足机器人的滑模控制

4.1.1滑模变结构控制的基本原理

4.1.2滑动模态的等效控制

4.1.3滑动模态的存在性、可达性及滑模运动的稳定性

4.1.4滑模变结构控制系统的动态品质

4.1.5滑模变结构控制系统的抖振问题

4.1.6双足机器人的滑模控制

4.2双足机器人的鲁棒控制

4.2.1机器人系统的稳定性及L2增益

4.2.2双足机器人的鲁棒控制

4.3小结

第五章双足机器人控制系统

5.1双足机器人控制系统结构

5.1.1双足机器人的控制系统

5.1.2双足机器人的关节协调控制

5.2双足机器人仿真系统建立

5.2.1面向对象方法论及其表示符号

5.2.2双足机器人仿真系统设计

5.2.3双足机器人仿真系统实现

5.3三自由度髋关节控制系统建立

5.3.1控制系统

5.3.2系统参数确定

5.3.3最大误差系数矩阵的求解

5.4小结

第六章实验结果

6.1双足机器人双脚支撑期脚底限制力的规划

6.2双足机器人外部小冲击的快速消除

6.3双足机器人快速行走过程中脚对地冲击的利用

6.3.1运动学模型

6.3.2双足机器人脚对地冲击效果

6.3.3仿真实验

6.4双足机器人的滑模控制

6.5双足机器人的鲁棒控制

6.6双足机器人的轨迹规划

6.7三自由度髋关节的滑模控制和鲁棒控制

6.8小结

附图

第七章结论与展望

参考文献

博士生期间发表的学术论文及获得的奖励

发表的学术论文

获得的奖励

作者简介

致谢