基于能量规划的崎岖地面四足机器人平面跳跃控制

来源 :2017第十九届中国科协年会 | 被引量 : 0次 | 上传用户:baiseshiren
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  腿足动物经过了亿万年的进化,可以凭借它们的腿到达陆地上几乎任何地方,这一点证明了腿足移动方式所具有的运动灵活性与适应能力是轮式以及履带式移动方式所无法比拟的[1]。而在腿足移动方式中,四足移动方式较之六足具备更加简单的结构,与双足以及单足相比,具备更加多样的运动形式以及更强的适应能力,成为了兼具灵活性与稳定性的腿足移动方式。在过去的十年里,波士顿动力工程公司、意大利理工学院、韩国工业技术学院以及我国山东大学等一系列研发单位和团队推出了各具特色同时具备很强实用性的四足机器人平台。这些四足平台均为液压驱动,并具备了比较系统的控制方法以及室外动步态行走能力和一定的环境适应能力。目前针对四足机器人动步态行走的平衡能力以及适应能力已经存在很多系统且有效的理论和方法。如何进一步提高四足机器人的灵活性和机动性,成为了四足机器人研究面临的一个新的挑战。然而,无论是基于SLIP模型或者是其他平面模型的奔跑控制方法,最终并没有达到躯干三个方向运动解耦的效果,为了保证运动的稳定性,会在俯仰角上产生幅值较大的周期性波动,使得奔跑步态很难应用于运输任务中。为了解决以上问题,本文针对四足机器人传统奔跑控制方法中存在的俯仰角波动以及崎岖地形适应问题展开研究,提出了一种基于Trot具有前后脚同时支撑步态的崎岖地形跳跃控制方法。建立了步态支撑相平面运动模型,并通过力分配方法进行虚拟模型映射,实现了躯干平面运动控制解耦。对虚拟模型中躯干的运动过程进行了能量规划,计算出纵向虚拟位置刚度,实现了跳跃周期控制;通过水平方向虚拟力的比例控制实现了机器人水平运动速度控制;采用大位置误差增益的PD控制方法实现了躯干姿态控制,保证了跳跃过程中躯干俯仰角的稳定。在虚拟物理仿真环境中建立起四足机器人的平面虚拟样机,对控制方法进行了仿真实验以及在假设条件不满足情况下的鲁棒性测试,仿真实验结果表明了该方法对跳跃控制的有效性。本文提出的跳跃控制方法具备以下特点:(1)在支撑相中,利用了支撑腿四个关节中的三个关节作为主动关节,一个作为被动关节,及前腿髋关节处于放松状态,可以有效降低了由于控制不精确带来的系统内耗,降低了特定关节的输出力矩,因此也可以作为特定关节故障发生时的容错控制策略。另外,基于主动变阻抗控制的方法,可非常方便地与被动储能环节实现对接,以实现低能耗的奔跑运动;(2)在跳跃过程控制中无需对步态的支撑相运动做出具体的规划,而是通过控制律生成运动,自主适应地形。因此,在遇到地形突变时,步态周期会自动发生变化;(3)打破躯干/腿质量比极大的假设,对文中所提方法进行了鲁棒性验证,在调整部分参数后,该方法依然能够控制机器人进行跳跃运动和地形适应,这也证明了该方法具有很高的工程可实现性。
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