足式機器人彈簧負載倒立擺模型控制方法研究?

徐貝貝，李艷杰，王 爭

（1.沈陽理工大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110159；2.中國科學院 沈陽自動化研究所，遼寧 沈陽 110016）

0 引言

從20世紀60年代開始，美國和日本就對足式機器人進行了深入研究。其中，比較有代表性的作品有早期的 KUMO-I和PV-II以及后來的 TITAN 系列［1］，近年來對足式機器人的研究影響最大的還是美國波士頓動力學公司，其代表作先后有BigDog、Atlas和CHEETAH，其中，BigDog可以說是現代足式機器人的最高代表［2］。在BigDog如此顯著的性能中，最突出也是最基礎的一點是其高速的奔跑能力，作為動步態控制的最經典最優秀的作品，其控制系統所采用的核心思路和方法是本文所關心的內容。本文主要對足式機器人單腿系統進行研究，首先深入探究Raibert的SLIP建模與“三分控制”方法，然后圍繞這個理論方法借助MATLAB與ADAMS等軟件建立仿真環境，進而論證該方法的合理性與可行性。

1 足式機器人彈跳控制問題描述

仿生學和動物學的研究發現，盡管哺乳動物的運動形式和步態具有多樣性，但其步態周期基本都具有“伸長－著地－發力－離地－回縮”這樣的運動循環，生物在運動過程中通過肌腱等儲能元件減小落地沖擊，并實現能量的存儲和再利用。學者研究發現，生物的這些運動特點與形式可以用彈簧負載倒立擺的模型（SLIP）等效簡化。SLIP模型由等效質量、等效腿長和等效腿部剛度3個結構參數組成，運動描述由質心二維坐標（騰空相）以及等效腿長、蹬踏角度（支撐相）兩維運動狀態變量組成。

2 “三分法”控制原理

彈跳模型奔跑時在重力作用下加速下落直到與地面碰撞，在接觸期間，腿部發生彈性變形來吸收身體的動能直到最低點，之后又將彈性勢能釋放增加身體的動能直到足離開地面。……