動(dòng)態(tài)雙足機(jī)器人的控制與優(yōu)化研究

賀琳 王鵬勃

1 引言

在20世紀(jì)90年代初期，世界上很多國家地區(qū)都對動(dòng)態(tài)雙足機(jī)器人進(jìn)行了深入的研究，動(dòng)態(tài)雙足機(jī)器人采用的是與人類行動(dòng)方式類似的運(yùn)動(dòng)方式，能夠?qū)θ祟惖男凶哌M(jìn)行仿真模擬，而且有著低能耗的特點(diǎn)，而且能夠在任務(wù)的過程中保持合理的穩(wěn)定狀態(tài)。雙足機(jī)器人研究難度最高的內(nèi)容就是動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)，這對于其運(yùn)用有著重要作用，能夠讓機(jī)器人更加的靈活，而在行走的時(shí)候，雙足機(jī)器人相對于輪式機(jī)器人比較更不穩(wěn)定，所以有必要對規(guī)劃其行走步態(tài)，保證與地面接觸時(shí)的撞擊最低。

2 動(dòng)態(tài)雙足機(jī)器人基本概念與控制原理

2.1 動(dòng)態(tài)雙足機(jī)器人基本概念

雙足動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)是生物體與生俱來的能力，也是生物生存的基礎(chǔ)性能力，動(dòng)態(tài)雙足機(jī)器人是對雙足生物運(yùn)動(dòng)的一種仿真模擬，是利用機(jī)械的形式進(jìn)行一種運(yùn)動(dòng)方式，與固有的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式相比，動(dòng)態(tài)雙足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡更加富有空間，能夠?qū)Σ煌沫h(huán)境進(jìn)行適應(yīng)，保證在多種環(huán)境下都可以進(jìn)行指令的完成，尤其是在最適合落腳點(diǎn)的范圍內(nèi)，雙足機(jī)器人的優(yōu)勢得以體現(xiàn)，能夠很好的進(jìn)行動(dòng)作。

2.2 動(dòng)態(tài)雙足機(jī)器人的控制原理

動(dòng)態(tài)雙足機(jī)器人的控制原理為靜態(tài)步行，這是在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的算法體現(xiàn)，其中機(jī)器人的重心在機(jī)器人底部水平的投影之中，此處為不規(guī)則的支撐范圍。控制原理是在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，保證機(jī)器人的穩(wěn)定性，但是這樣的控制方法使機(jī)器人的速度受到限制，這是因?yàn)橹匦牡耐队耙恢痹谥畏秶蛔儭Ｔ诳刂圃碇械牧硪环N方法為動(dòng)態(tài)步行，這讓機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度受到的限制特別小，在快速運(yùn)動(dòng)的過程中，在停止時(shí)候出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，所以零力矩點(diǎn)被引入此控制原理內(nèi)，在單足進(jìn)行支撐的時(shí)候，引入ZMP=COG，讓機(jī)器人穩(wěn)定性提高（如圖1）。

XZMP=XMC- MC

其中，XZMP為正向ZMP，XMC為質(zhì)量中心前進(jìn)的位移，l為倒立擺的長度，g為重力加速度。

3 動(dòng)態(tài)雙足機(jī)器人周期軌道穩(wěn)定性分析方法

3.1 ZMP穩(wěn)定性分析

ZMP穩(wěn)定性分析方法是通過對單足支撐過程中與地面完全接觸，對不同的自由度進(jìn)行控制，避免出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的不穩(wěn)定情況的一種判斷，當(dāng)動(dòng)態(tài)雙足機(jī)器人動(dòng)態(tài)平衡的情況下，重力與慣性的合力對ZMP點(diǎn)力矩與水平面兩個(gè)垂直方向分量是零，ZMP有必要始終落在動(dòng)態(tài)雙足機(jī)器人支撐范圍中，因?yàn)樵谶\(yùn)動(dòng)的過程中才可以更加穩(wěn)定，而國內(nèi)很多學(xué)者對其進(jìn)行完善的過程中認(rèn)為，這樣方法僅僅適用于平穩(wěn)地面的情況，ZMP才可以使機(jī)器人在一些動(dòng)作下不會(huì)翻轉(zhuǎn)。

3.2 龐加萊映射穩(wěn)定性分析

龐加萊映射穩(wěn)定性分析方法只能夠?qū)ζ胶獠糠址€(wěn)定性進(jìn)行分析，所以這也意味著只能在干擾比較小的狀態(tài)下， 龐加萊映射穩(wěn)定性分析方法才能夠發(fā)揮真正的作用，因?yàn)閯?dòng)態(tài)雙足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)行為是低維的，能夠有效的對步行運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定程度進(jìn)行解決，在分析動(dòng)態(tài)雙足機(jī)器人的動(dòng)作穩(wěn)定程度的過程中， 有必要對其行走過程中所有截面序列對應(yīng)的截面映射因子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，橫截面映射因子的計(jì)算與慣性矩陣、切換映射、切換前狀態(tài)變量和系統(tǒng)的虛擬約束有關(guān)，計(jì)算橫截面映射因子所需的時(shí)間復(fù)雜性很大，對穩(wěn)定性有很大影響。

動(dòng)態(tài)雙足機(jī)器人的穩(wěn)定程度一直是其最為主要的問題，也是很多專家學(xué)者所關(guān)注的重點(diǎn)，當(dāng)下已經(jīng)存在的穩(wěn)定性分析方法都不能夠?qū)ζ浞€(wěn)定性進(jìn)行全面的滿足，所以急需一個(gè)能夠?qū)?dòng)態(tài)雙足機(jī)器人在不同情況下的穩(wěn)定程度分析方法。

4 動(dòng)態(tài)雙足機(jī)器人反饋系統(tǒng)閉環(huán)特性的魯棒性

在具體動(dòng)態(tài)雙足機(jī)器人執(zhí)行指令的過程中，所受到客觀環(huán)境的影響會(huì)導(dǎo)致其系統(tǒng)不穩(wěn)定，這種機(jī)器人的正常行走動(dòng)作對環(huán)境的需要條件比較苛刻，當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)與環(huán)境發(fā)生變化，比如坡度突然變化，這會(huì)使機(jī)器人面臨翻轉(zhuǎn)的情況，無法正常行走，通過對穩(wěn)定性的分析性質(zhì)能夠讓系統(tǒng)對不穩(wěn)定條件與切換環(huán)境時(shí)候的行走狀態(tài)更加，最終對動(dòng)態(tài)雙足機(jī)器人強(qiáng)魯棒的與高程度的穩(wěn)定行走狀態(tài)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

動(dòng)態(tài)雙足機(jī)器人在不穩(wěn)定的環(huán)境條件下，有必要設(shè)立更加適應(yīng)周邊環(huán)境的反饋控制器，這樣才能夠最大程度的保證動(dòng)態(tài)雙足機(jī)器人對不熟悉環(huán)境的適應(yīng)，更好的魯棒穩(wěn)定程度也是今后需要重點(diǎn)研究的方向。

5 動(dòng)態(tài)雙足機(jī)器人的步態(tài)優(yōu)化控制理論

5.1 動(dòng)態(tài)平衡控制理論

若要保證動(dòng)態(tài)雙足機(jī)器人能夠在不平整的路面上行走，有必要對行走的足距進(jìn)行調(diào)整，這樣能夠保證穩(wěn)定落地的效果，還可以通過調(diào)整行走的速度與高度來滿足機(jī)器人的動(dòng)態(tài)平衡。當(dāng)行走是向前的時(shí)候，速度就決定了穩(wěn)定的程度，所以在行走狀態(tài)的時(shí)候，有必要對機(jī)器人的加速度進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)有固定的行走速度，這時(shí)候在行走過程中的距離就決定了穩(wěn)定程度，有必要調(diào)整垂直速度，也就是對雙足運(yùn)動(dòng)的時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。

5.2 基于仿生學(xué)的優(yōu)化控制理論

在對雙足機(jī)器人步態(tài)優(yōu)化控制進(jìn)行分析的過程中，仿生學(xué)是主要的研究方向之一，在基于中樞模式發(fā)生裝置與穩(wěn)定性結(jié)合的控制設(shè)計(jì)理論方法，對機(jī)器人的動(dòng)作進(jìn)行分析，一定程度保證機(jī)器人的穩(wěn)定性，通過仿照人類的動(dòng)作并捕捉要點(diǎn)，在進(jìn)行分析運(yùn)動(dòng)過程中雙足的控制方法，把運(yùn)動(dòng)的策略與機(jī)器人步態(tài)結(jié)合，讓機(jī)器人可以在不同的環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，通過仿生的方式機(jī)器人的東西更加穩(wěn)定，所依據(jù)的是生物學(xué)結(jié)構(gòu)，但仍舊有差異性，這在未來也是一個(gè)需要考慮的研究重點(diǎn)。

5.4 PDAC 控制理論

機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)的過程中，與地面接觸的范圍有時(shí)是完全與彈性的接觸，這時(shí)候雙腿支撐的被動(dòng)動(dòng)態(tài)自動(dòng)控制（ PDAC，Passive dy-namic autonomous control ）理論方法就得到運(yùn)用，這時(shí)能夠把機(jī)器人當(dāng)作能夠改變長度的立體倒立模型，繼續(xù)轉(zhuǎn)變味二維系統(tǒng)，倒立擺的軌跡由二維系統(tǒng)控制，所以有必要更新參數(shù)來改變穩(wěn)定性（如圖2）。

6 結(jié)語

本文主要對動(dòng)態(tài)雙足機(jī)器人的控制與優(yōu)化的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行分析研究，在對基本概念進(jìn)行簡要的概述，繼而對動(dòng)態(tài)雙足機(jī)器人的控制原理方法進(jìn)行介紹，并對其周期軌道穩(wěn)定程度方法進(jìn)行總結(jié)，主要有ZMP穩(wěn)定性分析判斷法與龐加萊映射穩(wěn)定性分析，在對步態(tài)優(yōu)化控制進(jìn)行分析過程中有多個(gè)理論研究方法，希望今后雙足機(jī)器人能夠有更強(qiáng)魯棒，可以在運(yùn)行過程中得到最佳效果，我相信在不久的將來，動(dòng)態(tài)雙足機(jī)器人將被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，使我國的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展。

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