双足机器人行走稳定性与脉冲控制研究

研究双足机器人行走稳定性与脉冲控制问题。以提高双足机器人行走的稳定性和能量效率为目标，建立二维带膝关节双足机器人行走的非光滑动力学模型。采用被动行走原理设计双足机器人的行走步态，通过脉冲控制作用实现双足机器人在水平面上的稳定行走。分析脉冲控制作用下双足机器人周期行走极限环的形成机制，研究脉冲控制作用下双足机器人周期行走极限环的稳定性机理。通过合理控制膝关节弯曲与伸直动作和添加控制行走步长的限位器扩大系统的全局稳定性区域，使系统在保持能量效率的前提下，具有全局稳定性质。采用迭代学习控制方法实现模型存在不确定性情况下，双足机器人的稳定行走控制。采用电磁铁为脉冲驱动装置，构建基于被动行走原理的双足机器人硬件实物系统，在硬件系统上开展实验研究，验证理论研究的结果，为实用的双足行走机器人设计和应用提供必要的基础。

课题综合分析了双足机器人半被动行走的脉冲推力控制的基本原理和关键技术，针对普通被动行走双足机器人无法在水平面上稳定行走问题，采用支撑腿脉冲推力输入作为系统的动力源，通过控制脉冲力的幅度使得系统的能量输入和摆动腿与地面的冲击能量损失达到平衡状态，进而实现双足机器人在水平面上的稳定周期行走。. 以人类为代表的双足行走具有能效高、适应复杂环境的特点。课题组首先建立了双足机器人半被动行走的动力学模型，机器人的行走过程分为两个阶段：1. 腿摆动阶段，采用微分方程描述；2. 脚与地面冲击同时完成支撑腿与摆动退角色转换阶段，采用代数方程描述，整个系统的行为由微分代数方程描述。采用线性化方法分析了系统周期行走需要满足的条件，包括行走周期、初始角度、初始角速度和脉冲推力等需要满足的约束代数方程。给定初始角度和频率根据这些约束方程可以得到行走周期、初始角速度和脉冲推力。从能量平衡的角度分析了双足机器人半被动行走极限环形成机制，理论上证明了定步长行走极限环的稳定性。提出了一种非最小相位系统延迟逆的计算方法，并应用于迭代学习和重复控制中。分别采用迭代学习控制、自适应神经网络控制和自适应动态规划技术研究了双足机器人在水平面上的稳定周期行走控制问题。为了解决摆动腿擦地问题，分别研制了带膝盖的双足机器人和伸缩腿双足机器人，并开展了试验研究，实现了单电机驱动伸缩腿双足机器人在水平面上的稳定周期行走控制。本项目的研究成果对进一步的人类行走机制探索打下了坚实的基础。