三维双足步行机器人的被动稳定行走控制方法研究

【摘要】近些年，双足被动动态步行机器人的研究逐渐成为人形机器人的研究热点。从简单的双足二维被动斜面开始，双足被动动态行走的研究开始向三维的实际平面动态行走扩展，而且各种被动动态行走样机的研制层出不穷。本文以三维双足机器人的被动动态行走为切入点，以863项目和国家自然基金项目为依托，着重研究了三维双足动态行走机器人的建模与控制以及ADAMS样机的控制等方面的问题。具体内容如下，1)针对人类上身对于双足动态行走侧向平衡的作用，建立了一种带有可侧向摆动上身的三维双足机器人模型。本文在充分分析机器人上身侧向与前向运动的基础上，分别针对行走过程中的连续向前摆动行走阶段与碰撞切换阶段(膝关节碰撞与脚触地碰撞)进行了动力学建模研究，并采用混合动力学模型理论建立了三维双足机器人动力学模型。2)侧向稳定控制是三维双足机器人连续稳定行走的前提条件。本文基于带有可侧向摆动上身的三维双足机器人模型，采用基于虚拟约束思想的混合零动态控制策略，保持机器人下身的侧向欠驱动特性并利用上身的侧向与前向运动，实现了三维双足机器人的平面动态稳定行走，验证了带有可侧向摆动上身的三维双足机器人的可行性。3)双足机器人的原型机设计是以机器人的仿真技术为依托的。本文以PADW-JLUII型原型机为研究对象，建立了两种可用于双足机器人控制算法研究ADAMS虚拟样机模型：带有联动上身的ADAMS模型与不带上身的三维双足机器人ADAMS模型。针对双足机器人ADAMS模型的结构参数不确定性，进行了基于遗传算法的ADAMS模型的参数辨识研究，减小了理论模型与实际模型的结构差异性。4)基于双足机器人ADAMS模型的控制算法研究可为实际机器人行走控制算法的开发提供前期实验验证与理论基础。本文通过对机器人ADAMS样机的双层脚板机构进行分析，提出了踝关节侧向力矩补偿控制与基于侧向和前向周期匹配控制策略的侧向稳定控制方法。在基于FSM的前向自适应力矩补偿控制策略的引导下，基于侧向和前向周期匹配控制策略可使机器人获得稳定的三维周期动态行走。本文提出的基于侧向和前向的周期匹配踝关节控制策略能够在机器人稳定的初始步态条件下，结合前向平面行走控制策略，可使双足机器人虚拟样机实现类人动态行走，可为双足机器人原型机的设计与控制调试提供指导。综上所述，本文针对三维双足机器人的被动动态行走的理论控制与原型机机构的控制进行了一系列研究，具有积极的意义。
【作者】朱振超；
【导师】田彦涛；
【作者基本信息】吉林大学，控制理论与控制工程，2014，硕士
【关键词】三维双足机器人；被动动态行走；混合零动态；侧向稳定控制；三维动态行走；

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