变刚度弹性驱动伸缩腿双足机器人动力学与控制研究

The walking dynamics and control of biped robot with variable stiffness elastic actuated telescopic legs is studied. The walking dynamics model of two-dimensional telescopic legs biped robot is obtained by Lagrange method. The constant stiffness spring-loaded inverted pendulum model is utilized to design the gait of a biped robot. The forming mechanism of cycle gait of biped robot is analyzed under the control of stiffness and telescopic legs. Stable walking of a biped robot on a level ground are realized by gait error tracking in time domain and gait error tracking in space domain respectively. Heuristic control strategy is explored. According to the designed desired gait, the set of states which errors are within certain range is set as feasible space. The control law in last cycle is utilized when the state error is in the feasible space, and gait error tracking control in space domain is utilized when the state error is out of the feasible space. Biped robot with variable stiffness elastic actuated telescopic legs is designed on the basis of semi passive biped robot with telescopic legs. The telescopic legs are realized by crank slide block structure, and the crank is connected to the drive motor with a variable stiffness flexible elements. Each leg is made up of two parallel carbon fiber poles to limit the roll of robots, and to reduce the quality of the leg. Experimental study is carried out on the hardware system to verify the results of theoretical research and to provide the necessary foundation for the application and design of biped walking robot.

研究变刚度弹性驱动伸缩腿双足机器人行走动力学与控制问题，采用拉格朗日方法建立二维伸缩腿双足机器人行走动力学模型。采用常刚度弹簧支撑倒立摆模型设计双足机器人的行走步态，分析刚度和伸缩腿控制作用下，双足机器人周期行走步态的形成机制。分别采用基于时间和基于位置的步态误差跟踪控制，实现双足机器人在水平面上的稳定行走。探索启发式控制策略，根据设计的期望步态，将在一定误差范围内的状态设定为系统的可行空间，当系统的状态位于可行空间之内时，采用上一周期的控制律；而位于可行空间之外时采用按位置的跟踪控制。在伸缩腿半被动双足机器人的基础上，设计制作变刚度驱动伸缩腿双足机器人。采用曲柄滑块结构实现腿长度的伸缩，曲柄采用变刚度柔性元件与驱动电机连接。每条腿采用两根并联的碳纤维杆构成，限制机器人的侧倾，同时降低腿部质量。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。

分析了变刚度双足机器人半被动周期行走的基本原理和关键技术，采用变刚度弹性腿作为系统的动力源，通过控制腿伸缩的幅度，实现双足机器人在水平面上的稳定周期行走。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单支撑和双支撑两个阶段：考虑了所有质量集中于髋关节和带上体质量两种情况。针对普通半被动行走双足机器人轨迹跟踪控制存在的问题，将双足机器人周期行走的期望状态轨迹表示成行走距离的函数，得到空间路径。采用反馈线性化和PD控制，实现了双足机器人周期行走的空间路径跟踪控制，证明了控制系统的稳定性。.人类的双足行走显然没有采用轨迹跟踪控制，而是采用后腿蹬地动作实现系统的能量输入，而且腿摆动阶段基本处于被动状态。根据人类行走特点，提出了一种半被动行走仿人控制策略。在双支撑阶段，当系统状态离开稳定区域时，采用能量误差PI反馈控制与惰性控制方法控制后腿伸缩，使系统总能量接近期望行走能量值并将系统带入到稳定状态。在单支撑阶段采用摆动腿回摆方法，通过改变摆动腿触地位置来控制机器人的高度和前向速度。此方法充分利用系统动力学原理，能量高效，且不需要跟踪期望轨迹。仿真实验结果表明：该策略可以实现机器人在水平面上的静止起步行走过程，并且系统具有抗干扰能力和鲁棒性。.研制了弹性伸缩腿双足机器人硬件实验平台，在实现变刚度能量控制的同时，解决了摆动腿擦地问题，并在平台上开展了试验研究。以前面的仿人控制策略为基础，以髋关节质量能通过行走过程最高点且前向速度达到期望值为目标，采用比例积分（PI）控制技术控制后腿伸缩量作为能量输入，实现了弹性伸缩腿双足机器人在水平面上的稳定周期行走控制。.当系统误差比较大时，传统的时间轨迹跟踪控制会出现控制器饱和、甚至不稳定问题；采用空间路径轨迹跟踪控制是比较好地解决该问题的手段。人类双足行走显然没有采用轨迹跟踪控制方法，而是采用后腿蹬地、摆动腿控制策略，控制作用只占行走周期的一小部分，大部分时间系统处于近似被动状态。本项目提出的仿人控制策略模拟了人类的行走行为，充分利用双足机器人动力学系统的自稳定特性，只在双支撑初始阶段控制后腿的蹬地动作，其余时段让机器人处于纯被动行走状态，数值仿真和硬件平台实验都验证了策略的有效性。