基于SLIP歸約模型的足式機(jī)器人動步態(tài)控制研究.pdf

1、作為宏觀運(yùn)動仿生的代表，以模擬生物的體貌形態(tài)、運(yùn)動特征為目標(biāo)的足式機(jī)器人以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)類型、靈活的運(yùn)動形式和出眾的地形適應(yīng)能力在山地運(yùn)輸、軍事戰(zhàn)場、核工業(yè)現(xiàn)場等一系列極端作業(yè)環(huán)境下扮演著日益重要而不可替代的角色。自Boston Dynamics公司的四足機(jī)器人BigDog、WildCat和雙足機(jī)器人 Petman、Atlas相繼問世，更是在世界范圍內(nèi)掀起了一股前所未有的足式機(jī)器人研制熱潮。
　　動步態(tài)控制是足式機(jī)器人最具挑戰(zhàn)性的問

2、題之一，由于機(jī)器人自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、系統(tǒng)動力學(xué)模型的高維度非線性等因素的存在，即便當(dāng)今最先進(jìn)的足式機(jī)器人與生物堪稱完美的運(yùn)動性能尚存在相當(dāng)?shù)牟罹?。本文面向足式仿生機(jī)器人的關(guān)鍵基礎(chǔ)理論問題，以描述生物體動步態(tài)運(yùn)動的經(jīng)典模型一一彈簧負(fù)載倒立擺(Spring-Loaded Inverted Pendulum, SLIP)作為低維運(yùn)動空間的主要研究對象，將低維度SLIP模型動力學(xué)的解析化研究與控制和高維度足式機(jī)器人系統(tǒng)的降維作為研究主線，利用攝

3、動理論、動態(tài)逆理論和回歸映射等分析手段徹底解決低維 SLIP模型的運(yùn)動控制；并以此為基礎(chǔ)將低維空間的控制成果衍化至高維機(jī)器人空間，進(jìn)而統(tǒng)一解決單足、雙足、四足機(jī)器人的動步態(tài)控制，揭示以SLIP歸約模型為內(nèi)核的足式機(jī)器人運(yùn)動控制機(jī)理的理論本質(zhì)，為全面提升足式機(jī)器人運(yùn)動的高動態(tài)性、高穩(wěn)定性提供普適性解決方案。
　　本文首先以SLIP歸約模型為出發(fā)點(diǎn)，在統(tǒng)一化構(gòu)建SLIP模型的基礎(chǔ)上，引入量綱分析方法對模型進(jìn)行預(yù)處理，消除其結(jié)構(gòu)參數(shù)的冗

4、余性。針對全被動SLIP模型支撐相動力學(xué)方程的非線性項(xiàng)導(dǎo)致二階不可積分的問題，采用基于小參數(shù)法的攝動技術(shù)求解支撐相動力學(xué)方程，獲得了具有封閉顯式數(shù)學(xué)格式的近似解析解。與文獻(xiàn)中已有近似解的性能對比證實(shí)了攝動解對SLIP模型的頂點(diǎn)具有更高的預(yù)測精度。通過構(gòu)建SLIP模型頂點(diǎn)回歸映射和不動點(diǎn)分析，建立了SLIP模型周期運(yùn)動穩(wěn)定性的理論評判準(zhǔn)則。
　　為進(jìn)一步探究SLIP模型的結(jié)構(gòu)/運(yùn)動參數(shù)與其運(yùn)動性能的內(nèi)在聯(lián)系，建立了包括足-地接觸和運(yùn)

5、動穩(wěn)定性在內(nèi)的SLIP模型運(yùn)動性能評價(jià)指標(biāo)。足-地接觸指標(biāo)包含足-地接觸力峰值和足-地接觸力比率峰值兩項(xiàng)指標(biāo)，對SLIP模型在支撐相期間的足-地接觸狀況進(jìn)行定量描述；運(yùn)動穩(wěn)定性指標(biāo)包括不動點(diǎn)的吸引區(qū)域范圍、 Floquet乘數(shù)和最大容許擾動量三項(xiàng)指標(biāo)，分別表征了SLIP模型周期運(yùn)動對初值的敏感性、系統(tǒng)在初值偏差下的收斂速率以及對運(yùn)動狀態(tài)擾動的抵抗能力。借助于借助于支撐相近似解析解對模型以腿部等效剛度為主的結(jié)構(gòu)參數(shù)和以觸地角度為主的運(yùn)動參

6、數(shù)對上述指標(biāo)的影響進(jìn)行定量分析和綜合評估，并對所有分析數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)變異測試以消除所獲得結(jié)果對模型參數(shù)選擇的依賴性。并以此為基礎(chǔ)，開展了全被動SLIP模型的運(yùn)動自穩(wěn)定性研究。為解決SLIP模型自穩(wěn)定性存在的運(yùn)動局限性，研究了基于支撐相近似解的SLIP模型頂點(diǎn)Dead-beat運(yùn)動控制策略研究，實(shí)現(xiàn)了對SLIP模型頂點(diǎn)水平速率和騰空高度的解耦控制，提升了系統(tǒng)的運(yùn)動性能。
　　在全被動SLIP模型的基礎(chǔ)上，提出了具有腿部驅(qū)動單元的欠驅(qū)動

7、SLIP模型。在模型支撐相的運(yùn)動規(guī)劃層面，開展了基于質(zhì)心運(yùn)動虛擬約束的矢狀面支撐相軌跡規(guī)劃研究，并設(shè)計(jì)基于Bfeier多項(xiàng)式的質(zhì)心軌跡實(shí)現(xiàn)了SLIP模型支撐相的對稱/非對稱運(yùn)動。在運(yùn)動控制層面，針對同一虛擬約束在直角坐標(biāo)系和極坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)形式差異造成質(zhì)心軌跡規(guī)劃與軌跡控制的矛盾，研究了基于動態(tài)逆理論的支撐相隱式軌跡跟蹤控制算法。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合局部狀態(tài)反饋線性化提出了欠驅(qū)動SLIP模型運(yùn)動控制策略，在非規(guī)則路面下實(shí)現(xiàn)了SLIP模型的穩(wěn)

8、定運(yùn)動控制問題。
　　對低維空間SLIP歸約模型的研究為高維足式機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動控制奠定了充足的理論基礎(chǔ)。為解決低維約模型與高維機(jī)器人系統(tǒng)間控制模式轉(zhuǎn)化的核心問題，開展基于機(jī)器人任務(wù)空間的控制模式映射研究，實(shí)現(xiàn)了由SLIP歸約模型生成的期望軌跡到底層機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動力矩分配。以此為基礎(chǔ)提出了一套完整的基于SLIP歸約模型的層次化運(yùn)動控制架構(gòu)：在規(guī)劃層由SLIP歸約模型根據(jù)機(jī)器人與環(huán)境交互信息反饋在線生成質(zhì)心的期望運(yùn)動軌跡；在執(zhí)行層

9、通過任務(wù)空間的控制模式映射實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人具體關(guān)節(jié)的控制。在算法的應(yīng)用方面，分別針對典型的足式機(jī)器人設(shè)計(jì)基于任務(wù)空間的單、多目標(biāo)層次化運(yùn)動控制算法，實(shí)現(xiàn)了單足機(jī)器人跳躍步態(tài)、雙足機(jī)器人奔跑步態(tài)及四足機(jī)器人奔馳步態(tài)下的穩(wěn)定運(yùn)動控制，并通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提算法的有效性。
　　本文圍繞著SLIP歸約模型所開展的動力學(xué)解析化研究、參數(shù)化分析、頂點(diǎn) Dead-beat運(yùn)動控制以及欠驅(qū)動模型支撐相軌跡控制為基于SLIP模型的足式機(jī)器人運(yùn)動控制系