两足溜冰机器人姿态稳定性与运动控制的研究

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1、上海交通大学博士学位论文两足溜冰机器人姿态稳定性与运动控制的研究摘要两足溜冰机器人作为一种混合结构式移动机器人，是提高机器人机动性和节省能源的一条重要途径。同时溜冰机器人又是一个很好的研究模型，为控制理论的应用及运动学、动力学问题的研究提供了广阔的天地。溜冰机器人是一个多变量、强耦合、非线性和变结构的复杂动力学系统，其变姿态结构的不稳定性及产生稳定溜冰运动所需解决的动态平衡问题，对于控制理论及动力学问题的研究来说具有很大的挑战性。作者在参与研制国内第一台两足溜冰机器人样机的基础上，深入研究了溜冰机器人的姿态稳定性、步态设计以及溜冰运动

2、控制等几个问题，为两足溜冰机器人的步态设计和提高溜冰姿态稳定性提供了理论依据。本文针对溜冰机器人的姿态稳定性与步态规划、溜冰运动控制系统等关键问题进行研究，主要完成了以下工作：从仿生学的角度出发设计两足溜冰机器人的机械结构，根据溜冰运动的特点配置运动自由度，改进了两足溜冰机器人样机的设计。溜冰机器人的每条腿上配置有6个自由度，可以实现基本的溜冰动作。接着我们研究溜冰机器人的运动学以及逆运动学闯题，采用Denavit．Hartenberg规则建立了溜冰机器人的运动学模型，并求得了运动学逆问题的解析解。两足溜冰机器人的动力学建模是进行溜冰

3、步态规划和运动控制的基础，同时也是溜冰机器人研究的难点之一。我们从解耦的角度出发，去除侧向和前向运动耦合的因素，在溜冰机器人运动模型的基础上将溜冰运动解耦为前向和侧向平面内的两个运动，推导出了前向和侧向的动力学显式方程，该动力学方程不仅可以用来计算关节的驱动力矩，控制机器人运动，而且为步态规划提供了重要依据。本文提出了溜冰机器入的姿态及姿态稳定性的概念，并仿照人的溜冰运动提出两种基本的溜冰步态形式，即前进葫芦形溜冰和单腿蹬地溜冰步态(SLR)。我们将ZMP理论应用到溜冰机器人的姿态稳定性分析中，得到了溜冰运动的姿态稳定性判据。曩根据溜

4、冰姿态稳定性判据，本文设计了姿态稳定的单腿蹬地溜冰运动步态。首先根据机器人溜冰运动过程中应满足的约束条件，设计双脚和躯干的运动轨迹，然后由几何约束，计算其它各关节的运动轨迹，再确定运行过程中的ZMP轨迹。在可变参数的有效范围内通过遍历搜索，找到稳定裕度最大的轨迹作为规划结果。摘要我们对溜冰步态从能量消耗最优的观点上进行了优化设计，提出了基于递阶式遗传算法的溜冰步态优化设计方法。求得能量消耗最少的溜冰步态有两个方面的重要意义：首先，揎冰机器人被设计成自主式移动机器人，如果溜冰步态所需能量消耗最少，就意味着机器人可以自主运动的时间长；其二

5、是根据HarvardUniversity的著名仿生学家T．A．MeMahon的研究成果，人类的步行运动从生物力学的观点上来看是能量消耗最少的。我们有理由相信人的溜冰运动也是以最少的能量输入产生最大前进运动速度为目的的一种运动方式。本文研究了溜冰机器人的溜冰运动控制方法，提出了由关节空间位置控制器、地面反力控制器组成的运动控制系统。位置控制器主要完成溜冰机器人关节空间中的位是伺服控制。鉴于溜冰机器人系统本身的高度非线性及运动过程中的大量随机干扰以及系统建模误差，我们构建了一种自适应变结构控制器。系统不确定性采用自适应控制进行在线辨识，同

6、时非参数不确定和估计误差采用变结构项消除，并且鲁棒增益随着辨识参数的收敛而递减。地面反力的存在有可能导致溜冰运动失败，地面反力的阻抗控制主要消除地面反作用力对姿态稳定性的影响。阻抗控制是一种主动柔顺控制方法，通过调整反馈位置误差、速度误差来达到控制力的目的。溜冰机器人的阻抗控制即通过改变溜冰机器人支撑脚的负载阻抗来保证机器人以一定的柔性与地面接触，这样可以提高溜冰运动的姿态稳定性。最后我们构建了溜冰机器入运动控制实验平台，详细介绍了控制系统的软硬件及传感器系统的设计并进行了地面反力测量和溜冰运动控制实验。实验结果证明了本文中的研究方法

7、以及得出的研究结论。关键词：两足溜冰机器人、姿态稳定性、步态设计、运动控制、ZMP轨迹、自适应变结构控制、阻抗控制、两足步行机器人——圭童銮望查堂堕主堂堡垒壅StudyonthePostureStabilityandMotionControlOfaBipedRoller-skatingRobotABSTRACTAsakindofhybridstructurerobots，bipedroller-skatingrobotisthefightwaytoimprovelocomotionabilityandsaveenergy．Itisal

8、soagoodresearchingmodelforcontroltheoryapplication，kinematicsanddynamicstudies．Roller-skatingrobotisamultivari