【摘 要】
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足式机器人具有非连续支撑的特点,在复杂地形和非结构化环境中具有更强的适应性,可以广泛用于救援、运输等任务中。液压驱动方式在环境适应性、高动态性、能量高密度和负载能力方面具有突出的优势,成为此类机器人的理想驱动方式。控制机器人足端与地面之间的交互作用,应对负载变化和运动产生的冲击尤为重要。阻抗控制是解决上述问题,实现机器人主动柔顺控制的一种主要方法,本文针对足式机器人的阻抗控制进行了以下方面的研究:
【基金项目】
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国家863“十三五”主题项目课题“高性能四足仿生机器人柔顺控制与环境适应性研究”; 部队协作项目课题“四足仿生机器人新型控制系统研制和多步态运动控制算法研究”; 国防科大科研计划项目“目标驱动的步行机器人可变柔顺控制”;
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足式机器人具有非连续支撑的特点,在复杂地形和非结构化环境中具有更强的适应性,可以广泛用于救援、运输等任务中。液压驱动方式在环境适应性、高动态性、能量高密度和负载能力方面具有突出的优势,成为此类机器人的理想驱动方式。控制机器人足端与地面之间的交互作用,应对负载变化和运动产生的冲击尤为重要。阻抗控制是解决上述问题,实现机器人主动柔顺控制的一种主要方法,本文针对足式机器人的阻抗控制进行了以下方面的研究:(1)建立了足式机器人的数学模型和仿真模型。提出了一种更具有环境适应性的足端轨迹规划方法以减小足端触地时的冲击力,实现了机器人足端轨迹几何规划与时间规划的分离,有效简化了足端轨迹规划过程。(2)为了解决足式机器人对高性能力传感器的依赖,提出了一种不需要力传感器的足端力估计方法。该方法基于机器人广义动量实现,仅需要关节的位置信息和施加的控制力矩信息就可以实现对足端力的估计,通过设计的前馈项和神经网络补偿项有效提高了力估计的快速性和准确性。(3)为了解决阻抗控制中机器人对足端力响应的滞后问题,提出了一种新的阻抗控制结构。将阻抗控制分解为力位转换因子和滤波子系统,通过两部分的分别调整实现整体的阻抗控制效果,简化了阻抗控制的参数调节方式。仿真实验表明,改进的阻抗控制结构极大地缩短了系统的响应时间。同时研究了运动过程中的负载变化情况,实现了期望足端力的自动调整。通过引入天棚控制策略,实现了阻尼系数的优化,使机器人能够在满足柔顺性的前提下尽快进入稳定运动状态。为了验证所提方法的有效性,设计了四足机器人的单腿仿真平台和整体仿真平台。建立了matlab和recurdyn的联合仿真环境,并设计了四足机器人运动控制的图形界面。通过实验验证了基于广义动量的力估计方法和改进的阻抗控制的柔顺效果。仿真实验表明,设计的基于广义动量的足端力估计方法能够有效实现足端接触力的快速、准确跟踪。采用改进的阻抗控制结构能够较好地实现机器人的柔顺性能,同时基于动态一直性的参数优化方法,能够使机器人在不同负载的情况下保持设定的运动高度和运动特性。
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