基于阻抗控制的多足步行机器人腿部柔顺控制研究

【摘要】近年来,多足步行机器人因其具有良好越障和避障的能力,以及在复杂地表上行走的较强的适应性,已经成为国内外研究的热点。理论上良好的环境适应性和运动灵活性使得多足步行机器人在未来必然有着广阔的应用前景。多足步行机器人灵活的运动能力来源于腿部大量的自由度,所以腿部柔顺控制是多足步行机器人能否顺利行走和执行任务的关键,同时也是步行机器人能否快速行走、小跑甚至奔跑的前提。但是,当前多足步行机器人只具有较差的脚力跟踪能力和腿部柔顺控制能力,很难实现在未知环境中的复杂任务,因而大大影响了其推广和实用化进程。针对这一问题,本文以多足步行机器人满足灵活运动和降低能耗为目标,提出了基于能耗和目标工作空间腿部优化设计方法。并以此为基础,提出了基于自适应-模糊控制的柔顺控制策略,在多足步行机器人腿部柔顺控制平台上进行了相关实验及分析。第1章介绍了多足步行机器入主要应用场合和应用前景,提出了本课题的研究意义。在此基础上,详细描述了国内外多足步行机器人发展历程和进展。并且对当前国内外机器人柔顺控制技术研究现状进行了详细的描述。此外,还重点介绍了国内外多足步行机器人领域中柔顺控制的研究现状,分析了这一领域目前主要的研究方向和研究热点,最后,提出了本课题的主要研究内容。第2章首先介绍了步行机器人腿部柔顺控制实验平台,并对机器人平台硬件配置和软件架构进行了详细的描述。然后并建立了腿部模型和机器人足端与环境的等效模型,通过进行D-H建模和运动学分析,对关节空间下机器人足端正／逆运动学进行了求解。在此基础上,给出了半球形足端正／逆运动学分析的修正算法。针对现有半球形足端轨迹修正算法的缺点,提出了基于最小二乘支持向量机(LS-SVM)的半球形足端轨迹修正算法。第3章根据多足机器人实际运动空间的冗余性对机器人腿部结构造成多余尺寸和能耗的问题,提出了基于能耗和工作空间的三关节腿部结构通用优化设计方法。通过对多足机器人腿部系统能耗分析和机器人足端空间运动学分析,建立了不等式约束下的非线性规划数学模型,并应用增广拉格朗日遗传算法来寻找全局优化解。通过与优化前的腿部结构进行对比,优化后的结构尺寸和关节转动范围明显减小,运动空间的冗余性得到改善。通过该方法得到的结果能满足实际工作的要求、具有较好的可操作性,并且在满足转向和越障要求的前提下能够达到减小系统能耗的目的。第4章针对多足步行机器人腿部柔顺控制的问题,提出了一种基于自适应阻抗控制算法的腿部柔顺控制策略。在建立多足机器人单腿位置控制模型和阻抗控制模型的基础上,分析了阻抗控制的稳态误差,推导了间接自适应控制算法。该算法通过李雅普诺夫渐进稳定定理实现对环境参数的估计,达到对期望脚力的跟随。通过仿真与实验分析,该算法能够在实际应用中快速的估算期望脚力,实现已知环境中足端脚力的闭环控制,并能有效的减小足端与地面的接触冲击。第5章针对在未知环境下进行柔顺控制的问题,提出了一种基于自适应-模糊控制算法的腿部柔顺控制策略。通过对自适应控制参数进行分析,运用模糊控制算法对其参数进行在线修正,根据输入与输出的差异关系实时调整参数以得到满意的系统响应。本章还对阻抗控制的稳定性和自适应控制算法鲁棒性进行了分析,并给出了保持系统稳定时环境位置偏差的上下界。通过比较分析,证明了自适应-模糊算法不仅在环境参数发生变化时能够很好跟随期望接触力,而且在躯体高度波动的情况下依然能够保证较小的接触冲击力和较高的稳态精度。在此基础上还进行了自适应-模糊算法下的静态、动态脚力控制实验以及不同控制算法、不同环境下的脚力控制的比较实验,并对存在干扰情况下的脚力控制以及脚力控制对于躯体高度和系统能耗的影响等一系列实验进行了分析,以论证前述的理论和仿真结果。
【作者】朱雅光；
【导师】李伟；金波；
【作者基本信息】浙江大学，机械电子工程，2014，博士
【关键词】多足步行机器人；逆运动学；结构优化设计；阻抗控制；自适应控制；柔顺控制；稳定性；适应性；

【参考文献】
[1]谢亚静.空间能力和动画组织形式对多媒体学习效果的影响[D].华中师范大学,发展与教育心理学,2014,硕士.
[2]林杉.白藜芦醇对小鼠糖尿病性心肌病模型MCP-1和MIF表达的影响[D].吉林大学,临床医学,2013,硕士.
[3]何宁.我国管理咨询公司的营销方案研究[D].西南交通大学,2004.
[4]陆萍.基于图像处理和模式识别的齿痕舌象研究[D].华东理工大学,机械电子工程,2014,硕士.
[5]张玉曼.ICU护士专业生活品质现状及影响因素研究[D].山东大学,护理学（专业学位）,2013,硕士.
[6]乔神路.高速铁路桥上无砟道岔系统空间精细化设计理论及试验研究[D].北京交通大学,2014.
[7]徐红梅.武汉东环车身系统有限公司经营模式探讨[D].西安理工大学,工商管理,2003,硕士.
[8]魏源.翻译硕士专业学位论文形式选择状况的调查报告[D].广西民族大学,翻译,2013,硕士.
[9]张金良.基于有限元法的燃烧臂结构强度分析[D].大连海事大学,轮机工程,2012,硕士.
[10]马元飞.波纹钢腹板箱梁连接件承载力试验[D].长安大学,桥梁与隧道工程,2013,硕士.
[11]闫芳芳.某大跨度钢结构栈桥的抗震性能研究[D].西安建筑科技大学,建筑与土木工程,2013,硕士.
[12]向超智.斯坦纳阐释学视角下徐忠杰英译辛弃疾词研究[D].重庆大学,外国语言学及应用语言学,2014,硕士.
[13]王晓旭.社会工作提升高校志愿者社团服务效果的方法探究[D].西北大学,社会工作（专业学位）,2014,硕士.
[14]翟羽行.汽车座椅点云数据的网格与曲面重构处理[D].吉林大学,计算机应用技术,2013,硕士.
[15]黄晓英,张剑芳,徐世莲.信息融合技术在智能物流运输系统中的应用[J].包装工程,2004,03:74-75.
[16]陈珺.企业现代化管理系统的组成和功能[J].煤气与热力,2003,04:249-251.
[17]杨旋.失地农民养老权益问题探析[D].山东大学,法律（专业学位）,2013,硕士.
[18]赵新,孙明竹,卢桂章,余斌.基于显微图像处理的微操作工具深度信息提取方法[J].自动化学报,2007,09:917-923.
[19]韩蕊.影视广告中动画视觉语言的研究[D].沈阳师范大学,美术学,2014,硕士.
[20]王敏,薛红.基于MSAnalysisServices的OLAP技术在超市中的应用[J].北京工商大学学报(自然科学版),2005,02:32-35.
[21]BouraimaAbdel-kabirou.基于Cropwat模型的水稻需水量计算[D].西南大学,Soil-WaterConservationandDesertControl,2013,硕士.
[22]林瑞霞.城轨车辆制动能量回收效率理论及试验研究[D].上海工程技术大学,车辆工程,2013,硕士.
[23]陶芳.绩效管理在国有商业银行基层支行中的运用[D].西南财经大学,工商管理,2003,硕士.
[24]李虹.企业知识管理研究[D].广西大学,2004.
[25]阎子刚.《案例》：惠普音响科技有限公司[D].暨南大学,2002.
[26]张登峰.山西省职业篮球俱乐部的现状及建设对策研究[D].山西大学,体育教育训练学,2004,硕士.
[27]郑恩姬.“一AA”式数量结构的语法功能考察[D].吉林大学,语言学及应用语言学,2004,硕士.
[28]岳磊.RoboCup中型组足球机器人底层控制系统的研究与设计[D].东北大学,控制理论与控制工程,2009,硕士.
[29]齐维贵,丁宝.介绍一种根轨迹法设计软件[J].冶金自动化,1992,06:42-45+15.
[30]陆海.污泥管道输送非均质流动阻力预测及费用模型研究[D].哈尔滨工业大学,2014.
[31]许旭.基于WebGIS的车辆安全监控系统的设计与实现[D].南京大学,软件工程（专业学位）,2013,硕士.
[32]占先运.基于数据仓库的电信业决策支持系统[J].湖南科技学院学报,2005,05:185-188.
[33]许贺文.肾小球疾病患者血清25（OH）D水平对激素致糖代谢异常的影响[D].河北医科大学,内科学,2014,硕士.
[34]陶英.海峡两岸同形形容词比较研究[D].华中师范大学,汉语言文字学,2013,硕士.
[35]豆巍.美国残障人全纳高等教育研究[D].河北大学,比较教育学,2014,硕士.
[36]李银国,唐小我,曹长修.离散线性时变系统鲁棒稳定性分析[J].控制与决策,1998,05:88-91.
[37]薛伟江,丁滔,王继刚.石墨烯/酚醛树脂复合材料的制备及性能研究[A].中国仪表功能材料学会、重庆材料研究院、哈尔滨工业大学、《功能材料》期刊社.第八届中国功能材料及其应用学术会议摘要[C].中国仪表功能材料学会、重庆材料研究院、哈尔滨工业大学、《功能材料》期刊社:,2013:1.
[38]郑胜华,袁雯静.联盟网络演化及其动力机制研究述评与展望[J].科技管理研究,2013,17:200-202.
[39]王爽.氧化石墨烯在聚苯乙烯中的分散及其复合材料的发泡行为研究[D].浙江大学,2014.
[40]齐卓砾.电子商务环境下中小企业ERP的模式与应用研究[D].吉林大学,2004.
[41]石桂超.中古文学家族研究[D].广西师范大学,中国古代文学,2013,硕士.
[42]常德成.移动云计算环境下网络感知的虚拟机放置算法研究[D].吉林大学,计算机系统结构,2014,硕士.
[43]李晶.动画片在韩国高中汉语教学中的应用研究[D].沈阳师范大学,汉语国际教育,2014,硕士.
[44]罗浩.舟山港口物流发展战略研究[D].浙江海洋学院,农业推广（专业学位）,2013,硕士.
[45]朱金龙.船舶结构声学设计技术及噪声预报研究[D].江苏科技大学,轮机工程,2013,硕士.
[46]佟景才.铁路产业结构调整与高等工程教育改革[J].高等工程教育研究.2000(02)
[47]吴英煜,汤继东.应推广使用Dyn11结的线配电变压器[J].电气工程应用.1987(03)
[48]范菊琴.汪中《述学》略论[D].湖北大学,中国古典文献学,2011,硕士.
[49]冯芳芳.两种介孔分子筛对恶霉灵和吡虫啉的吸附及缓释性能研究[D].山西师范大学,化学,2013,硕士.
[50]谢周标.嵌入式二维图形硬件加速引擎研究与设计[D].湖南大学,电子科学与技术,2013,硕士.