基于非线性稳定性分析法的弹跳机器人运动控制研究

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弹跳是腿式运动的基础,复杂的多足机器人系统设计,往往先研究单足运动状态,而对于单足机器人来说,只存在弹跳这一种运动状态,因此,弹跳运动性能及运动控制是研究的重点方向。在腿式机器人弹跳高度控制的相关研究成果中,大多依赖机械结构设计、增加传感器、信号处理等技术手段来实现机器人的触地判断及运动状态检测等,从而使运动控制算法在弹跳的不同阶段中有针对性地调节控制输出,来应对机器人弹跳过程中存在的来自于运动形式本身或由机械系统构成引起的非线性、高动态、力反馈控制等问题,但这无疑增加了机械设计的工作量及运动控制算法的复杂性。针对现有弹跳机器人领域相关研究中存在的问题,本课题聚焦先进运动控制器设计方法,优化机器人本体结构设计,从电液驱动弹跳机器人本体设计及非线性模型构建、基于非线性稳定性分析法的弹跳机器人运动控制开发两方面展开研究,为后期实验和仿真提供基础。针对现有弹跳机器人高度控制器需要通过测量多个状态变量来完成对地面接触进行检测的问题,本课题开发一种新型自激振荡控制器。该控制器由一个力的正反馈回路、一个非线性环节、一个位置反馈回路及一个速度前馈组成。利用描述函数法从理论推导了系统产生稳定自激振荡运动的判据,并对典型非线性环节(如饱和特性、死区特性、继电特性及死区继电特性)进行了系统稳定性判断及弹跳高度控制机理研究。对液压系统主要元件进行了功能机理分析,引入非线性因素,建立液压系统非线性数学模型。利用Autodesk Inventor结合Matlab/Simulink进行了联合仿真,并在Sim Mechanics中搭建了弹跳机器人虚拟样机,完成了机器人可视化建模。通过分析地面材质,利用弹簧-阻尼系统建立地面与机器人本体力学关系模型。最后,通过机器人样机实验,验证了控制器的可行性,并结合实验数据对建立的非线性模型进行了修正。
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