【摘 要】
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在惯性运动空间中,足式机器人的腿部足端与地面非连续接触的运动特点,使其能够适应凹凸不平和布满小型障碍物等崎岖复杂地形,因而具有比轮式和履带式移动机器人更强的地面运动适应性。相比于四足机器人,双足机器人腿数相对较少,使其不仅因节省成本和便于推广,而且具有与人类相似的运动方式,能够在人类活动的各种复杂环境中自由移动。人类一直希望创造出与人类自身类似的机器人用于娱乐教育、医疗保健、军事、工业制造、恶劣危
【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”；
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在惯性运动空间中,足式机器人的腿部足端与地面非连续接触的运动特点,使其能够适应凹凸不平和布满小型障碍物等崎岖复杂地形,因而具有比轮式和履带式移动机器人更强的地面运动适应性。相比于四足机器人,双足机器人腿数相对较少,使其不仅因节省成本和便于推广,而且具有与人类相似的运动方式,能够在人类活动的各种复杂环境中自由移动。人类一直希望创造出与人类自身类似的机器人用于娱乐教育、医疗保健、军事、工业制造、恶劣危险环境作业和救援等领域。因此双足机器人拥有巨大的发展潜力,已经成为机器人技术探索的基础研究平台和研究热点,并代表着机器人领域的综合发展标杆。近年美国Boston Dynamics公司推出的液压驱动双足机器人Atlas充分展示了在动态运动稳定性、协调性、爆发力、硬件系统集成化等方面的优越成果,但由于其算法技术的保密性,激发了世界各地的科研团队对双足机器人的研究激情。本文立足于课题组研究的液压驱动双足机器人,针对其高速动态行走运动稳定性和抗扰控制需求,按照从底层到上层逐步深入的思路和研究层次,分别开展了关节电液驱动器控制、双足机器人动力学控制和轨迹在线优化的研究。针对所研究机器人平台和抗扰性能要求,分别提出了面向参数和负载扰动的电液驱动器基于状态和参数多尺度在线联合估计器和线性时变模型预测控制器相结合的轨迹跟踪自适应鲁棒控制框架、基于模型预测方法的轨迹跟踪抗扰分时控制、考虑腿部动态的基于模型预测和序列优化整体控制相结合的高速运动轨迹跟踪抗扰方法,基于直接配点法和分段期望曲线的高精度轨迹在线优化方法,主要内容如下:1、针对电液驱动器在有限传感器配置条件下存在的时变参数和负载估计、不可测量状态估计和可测量状态噪声滤波的三个问题,对模型参数进行参数灵敏度和快慢速变化特性分析,提出了具有快变和慢变时间尺度的基于数据驱动的状态和参数多尺度在线联合估计算法（MEKF）。针对电液驱动器自适应鲁棒的高精度轨迹跟踪需求,研究了MEKF和线性时变模型预测控制相结合的自适应鲁棒控制框架,通过实验研究验证了有效性。2、基于液压驱动双足机器人高速动态行走运动和抗扰控制的需求,在给定期望轨迹和运动速度的基础上,分析了欠驱动双足机器人运动机理,将双足机器人的控制分为支撑期和摆动期控制。在支撑期,采用基于浮动基座单刚体模型的模型预测控制器,通过优化求解获得最优的支撑腿足端接触力旋量,以控制机器人的姿态和高度。在摆动期,基于倒立摆特性计算落足点来控制机器人前进和侧向速度,提出了基于模型预测方法的轨迹跟踪抗扰分时控制框架。在这个控制框架下,机器人左右腿交替往复运动,从而实现了机器人的三维全向控制。并阐述了机器人基于事件和时间混合的有限状态机原理和基于单腿动力学模型和关节驱动器信息的足端接触力估计算法。最后实现了双足机器人在高速运动、外部冲击和不平整地面等扰动情况下的动态抗扰运动。3、针对抗扰分时控制框架中存在的未考虑腿部动态的问题,分别研究了基于零空间投影、权重分层和序列优化的轨迹跟踪整体控制方法。通过仿真验证探讨和比较了各方法的动态运动和抗扰动性能。为了进一步提高机器人的高动态和抗扰性能,提出了考虑腿部动态的模型预测和序列优化整体控制相结合的高速运动轨迹跟踪方法,通过仿真验证了该方法在高速运动和扰动下的鲁棒性。4、针对双足机器人在扰动干扰下从初始状态到目标状态的轨迹在线优化问题,基于单刚体模型和Hermite-Simpson直接配点法,研究将轨迹优化问题转化成有限维度的非线性规划问题。将初始状态与目标状态之间的平滑曲线分段作为轨迹优化的期望,缩短轨迹优化的时长并大幅减少优化变量维度,提出了基于直接配点法和分段期望曲线的高精度轨迹在线优化方法,最后通过仿真验证了该算法的有效性。基于所在实验室在足式机器人方面的研究积累与工程迭代及硬件条件的支撑,分别从机器人拓扑结构、高功率密度液压驱动系统和机载控制系统设计三个方面进行了详细阐述,完成了第一代液压驱动双足机器人实验平台的研制工作。
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