基于能效优化的双足机器人自学习控制方法研究

【摘要】双足机器人模仿人类的行走方式,特别适合辅助或替代人类进行一些工作。双足步行机器人是工程上少有的高阶、非线性、非完整约束、强耦合性的多自由度系统,双足机器人的步行运动控制方法研究,不仅有重要的学术意义,也有显著的应用价值。要实现双足机器人稳定、灵活、高效、智能的步行运动,涉及的研究领域很广,本文主要研究其中一些热点和难点问题,主要是步行运动的能效优化策略、步行运动的自学习控制方法等。本文的行文线索如下：首先在第一章阐述本课题的研究背景及意义,然后在第二章介绍双足机器人的背景知识,第三章和第四章提出双足步行机器人能效优化的具体策略,第五章到第七章提出双足机器人步行运动的自学习控制方法。具体内容有：一、针对高能耗导致的双足机器人实用化障碍,提出了一种系统化的步行运动能效优化控制方法。基于双足机器人运动的重要能耗指标(平均功率、平均功率偏差、平均力矩损耗),提出了能耗预估策略和能效优化算法,以获取ZMP(ZeroMomentPoint,零力矩点)稳定区域内的能耗极小值,并通过此极小值所对应的上体轨迹对机器人步行运动实施能效优化控制,最终获得满足ZMP稳定判据的低能耗步态。最后将所提方法应用于机器人系统,并与其它智能控制方法进行了比较分析。二、提出了一种高能效的支持向量机(Energy-efficientsupportvectormachine,EE-SVM)学习控制系统。为实现高能效双足步行,考虑了双足动态每个训练样本的能耗。首先计算双足步行样本的能耗,然后依样本能耗对样本实施加权学习。所提EE-SVM的学习目标函数中含有与能耗相关的松弛因子,目标函数的设计遵从以下规则：EE-SVM的训练过程更重视能耗较低的样本。本文通过仿真实验证明了所提方法的有效性。三、提出一种基于UKF(UnscentedKalmanfilter)可预测的支持向量回归(Supportvectorregression,SVR)学习控制器,用以提高双足机器人的步行灵活性。通过UKF估计下一刻的双足状态,SVR学习控制器利用预测到的双足状态来确保双足机器人的ZMP稳定性。预测控制器可及时调整机器人上身姿势,从而适应于机器人整体的动态位姿。仿真结果证明了所提方法的优越性。四、提出了一种基于时间序列的模糊支持向量机(Time-sequenee-basedfuzzysupportvectormachine,TSF-SVM)学习控制系统。考虑双足步行样本的时间特性,所提方法能准确学习双足步行动态,并及时补偿时变外扰。首次提出了基于时间序列的三角模糊隶属函数和基于时间序列的高斯模糊隶属函数,并根据双足机器人不同相位的时间特性,将所设计的两种模糊隶属函数分别用于双足机器人的单脚支撑相和双脚支撑相。对所提TSF-SVM的性能与传统智能方法的性能进行了仿真比较,结果表明,所提方法更加敏感于突发外扰,因此能有效提高双足步行机器人在外扰中的稳定裕度。五、为解决双足步行机器人的高能耗问题,本章提出了一种区间二型模糊加权支持向量机(Intervaltype-2fuzzyweightedsupportvectormachine,IT2FW-SVM).与传统机器学习的学习方法不同,所提IT2FW-SVM使用“选择学习”的策略获得更低的能耗和更大的ZMP稳定裕度。这与人类基于经验的选择性学习类似。为了处理经验的不确定性,使用区间二型模糊逻辑系统推导IT2FW-SVM的学习权重。仿真研究表明,与产生原始步态样本的双足步行相比,所提方法显著提高了双足机器人的能效和步行稳定裕度。
【作者】王丽杨；
【导师】章云；
【作者基本信息】广东工业大学，控制理论与控制工程，2013，博士
【关键词】双足机器人；步行运动；能效；学习控制；

【参考文献】
[1]薛荣媛.介质特性对钛合金电火花加工的影响研究[D].南京航空航天大学,机械制造及其自动化,2013,硕士.
[2]李艳.探究当代工笔花鸟画的实境与幻境[D].湖南师范大学,美术学,2013,硕士.
[3]魏春志.基于一阶剪切理论层合板振动问题的无网格Kriging方法[D].苏州大学,计算数学,2012,硕士.
[4]徐明娜.老年男性骨质疏松与颈动脉粥样硬化的相关性研究[D].吉林大学,临床医学（专业学位）,2013,硕士.
[5]闫泽晨.后腹腔镜肾上极筋膜悬吊结扎法肾蒂淋巴管结扎术治疗乳糜尿的临床研究[D].郑州大学,外科学（专业学位）,2013,硕士.
[6]张楠.论新批评的历史意识[D].四川外国语大学,英语语言文学,2013,硕士.
[7]周毅俊.基于子群的群组评价组织机制研究[D].浙江工商大学,统计学,2013,硕士.
[8]朱亭亭.我国股票期权法律制度研究[D].湖南师范大学,经济法学,2013,硕士.
[9]蔡荣.澜沧江丁坝局部冲刷试验及其防护研究[D].重庆交通大学,水工结构工程,2012,硕士.
[10]李朝葵,凌云.数据挖掘及其在图书馆中的应用[J].情报杂志,2002,06:33-34.
[11]徐杰.山东省省级三级医院护理人员工作环境认知及其满意度评价[D].山东大学,公共卫生（专业学位）,2013,硕士.
[12]张玉波.对蒙古族大学生英语写作中副词类连接成份使用情况的语料库研究[D].内蒙古师范大学,外国语言学及应用语言学,2013,硕士.
[13]俞挺.基于品牌态度的购物网站特征对品牌忠诚的影响[D].浙江大学,2007.
[14]华洁,李庆生,尹侠,李永生.薄膜蒸发器过程参数的信息系统[J].氯碱工业,2005,07:39-43.
[15]韩晓蕾.中国古典文本理论研究[D].温州大学,文艺学,2012,硕士.
[16]张金艳.预混气体在堆积床内燃烧的数值研究[D].大连理工大学,工程热物理,2013,硕士.
[17]焦雁丽.“造血式”海洋渔业资源生态补偿法律制度构建[D].中国海洋大学,环境与资源保护法学,2014,硕士.
[18]魏晓霞.论民事再审程序[D].中国政法大学,法律,2004,硕士.
[19]吕冬芳.中国上市银行绩效与多元化经营研究[D].上海交通大学,工商管理,2013,硕士.
[20]张娟.三种蔬菜无土栽培养分调控的调查[D].安徽农业大学,农业资源利用,2012,硕士.
[21]刘奇.嵌入式接入网接口协议研究与设计[D].武汉理工大学,通信与信息系统,2004,硕士.
[22]徐鹏程.公序良俗原则的司法适用[D].河北大学,法律,2013,硕士.
[23]覃柳莹.长托宁对小儿浅低温体外循环下不停跳心内直视术中微循环影响的探讨[D].广西医科大学,麻醉学（专业学位）,2013,硕士.
[24]巢传宣.双语存贮模型的实验研究[D].江西师范大学,基础心理学,2004,硕士.
[25]李宝来,姜怀,佟长久.TMC-80微型机用于首钢均热炉自动控制[J].冶金自动化,1983,06:56-58.
[26]朱继峰.电收尘在锌蒸馏烟气净化工艺中的应用研究[D].东北大学,冶金工程,2009,硕士.
[27]汪洋.论诈骗罪的处分行为[D].吉林大学,法学,2014,硕士.
[28]张宇.特大型沉箱预制、出运及安装工艺的研究[D].大连理工大学,建筑与土木工程（专业学位）,2013,硕士.
[29]肖瑞.基于初中物理知识体系的专题学习网站设计的研究[D].东北师范大学,教育技术学,2012,硕士.
[30]刘刚,张朋,李伟东,胡晓兰,包建文,益小苏.结构化增韧层增韧RTM复合材料预成型体的渗透特性[J].复合材料学报.
[31]曹兵,张斌,潘春旭.乙醇+胺混合燃料火焰法制备氮掺杂石墨烯[A].中国材料研究学会.2011中国材料研讨会论文摘要集[C].中国材料研究学会:,2011:1.
[32]王琦.语料库辅助的商务英语教材评价[D].广东外语外贸大学,商务英语研究,2013,硕士.
[33]赵宇盟.M电气公司资金管理内部控制优化研究[D].湖南大学,会计,2014,硕士.
[34]苏德祥.《舌尖上的中国》讲解词英译及其翻译报告[D].曲阜师范大学,翻译（专业学位）,2013,硕士.
[35]李贞,张明珠,倪传坤,邹欣洁.变压器励磁涌流的自适应二次谐波分相制动方案[J].电力系统自动化,2013,06:121-124.
[36]赵裴.基于机器视觉的高压线故障检测方法研究[D].哈尔滨理工大学,测试计量技术及仪器,2013,硕士.
[37]刘博.移动网络无缝互联技术的研究与实现[D].哈尔滨工业大学,计算机科学与技术,2013,硕士.
[38]杨宝光.基于Hadoop平台的谱聚类算法研究[D].内蒙古科技大学,计算机应用技术,2014,硕士.
[39]王海利.象形文字与圣书文字——兼谈古埃及文字的中文名称问题[J].东北师大学报(哲学社会科学版),2014,03:12-17.
[40]宋小娟.硝酸根离子电极的开发与研究[D].江南大学,2014.
[41]周忠玉.北京地区上呼吸道感染急诊就诊人数与气象条件关系的研究[D].兰州大学,应用气象学,2013,硕士.
[42]聂静.天津宁河开发区发展战略研究[D].天津大学,公共管理,2013,硕士.
[43]程三六,朱德文,陈永生,严克华,肖宏儒,任彩红.水稻微密孔膜活性基质机械育苗配机插技术体系的研究[J].中国农机化.2007(04)
[44]雷晓东,张静.中韩环境友好纳米材料科学与技术交流[J].国际学术动态,2012,06:44-46.
[45]蒋茜.资本监管悖论与银行监管的市场纪律[D].浙江工商大学,金融学,2013,硕士.
[46]张勇.港口投融资决策系统动力学模型研究[D].大连海事大学,交通运输规划与管理,2004,硕士.
[47]翁俊梅.高电位梯度高通流能力ZnO压敏电阻制备工艺的研究[D].华中科技大学,微电子学与固体电子学,2013,硕士.
[48]许汉.E公司采购业务流程再造项目管理研究[D].北京交通大学,物流工程（专业学位）,2013,硕士.
[49]刘长国.航运公司管理信息系统的研究与开发——晴川公司管理信息系统的设计及实现[D].武汉理工大学,交通信息工程及控制,2004,硕士.
[50]解永春,吴宏鑫.黄金分割在自适应鲁棒控制器设计中的应用[J].自动化学报,1992,02:177-185.