具有可控柔性的动态双足行走的运动控制与稳定性研究

This project studies dynamic bipedal walking with controllable joint compliance. We introduce controllable compliance to passivity-based dynamic bipedal walking, establish a dynamic model for the proposed walking paradigm and construct a simulation platform. A control method with limb coordination is applied to simplify the control architecture and improve stability of gait transitions. We systemically analyze intra-step local stability of the dynamic walking model. Control methods are also improved based on local stability analysis, in order to improve the disturbance rejection and reduce energy consumption. A bipedal robot prototype with controllable compliance is designed and built based on the theoretical model and simulation analysis. We apply the control method with limb coordination and local stability analysis to the prototype for efficient, stable and flexible locomotion under complex environments. The results of this project can help better understand the principle of human walking, provide innovation dynamic walking control, and show prospective for developing bipedal robots and walking rehabilitation devices with high efficiency and versatility.

本项目针对具有可控柔性的动态双足行走展开研究，在基于被动行走的双足系统中加入可控柔性，建立动力学模型并进行计算机仿真分析。针对提出的这种柔性可控的动态双足行走，在控制方法中考虑肢体配合，简化控制结构，提高双足系统变速时的稳定性。在此基础上，系统地研究了运动的步内稳定性，并根据分析结果改进控制方法，提高能量效率。基于理论建模和仿真分析，研制具有可控柔性的动态双足机器人实体，在机器人实体上应用基于肢体配合的控制方法并进行步内稳定性的分析，实现能量效率更高、稳定性更好、能适应复杂环境的行走步态。研究结果有助于更好的理解人类双足行走的内在机理，为双足运动的控制提供新的思路，并为研制出高性能的双足机器人和辅助行走设备建立良好的基础。

本项目针对具有可控柔性的动态双足行走中的关键问题，在运动控制、稳定性分析、机器人研制等方面开展研究并取得重要进展，分析了力矩控制和柔性控制对双足变速运动的影响，提出步内稳定性的分析方法，得到双足机器人一步运动内不同步态阶段的稳定性规律，设计混沌步态控制器，研制了一款具有可控柔性的双足机器人，相关成果对今后研究具有可控柔性的仿人机器人的运动控制、稳定性分析和能量效率具有重要的支持。本项目的相关工作在国际学术期刊和国际会议上发表论文5篇，申请国家发明专利4项，培养研究生6名。项目组通过积极参与相关领域主流国际会议、邀请国外专家访问等方式，与国外同行进行了深入的学术交流与合作。