考虑摆动腿动态的变长度柔性双足机器人步态切换控制研究

弹簧负载倒立摆模型是一种典型的双足行走模型,已经成为研究机器人类人行走的基础。本文在此模型的基础上进行了扩展,通过添加刚性躯干、脚质量及采用变长度伸缩腿,充分考虑了躯干及摆动腿动力学对机器人行走步态的影响。首先,利用欧拉–拉格朗日法推导了动力学方程。其次,设计了反馈线性化控制器来跟踪目标轨迹,以及调节摆动腿和躯干的姿态。第三,提出了步态切换策略,通过控制腿部长度和髋关节力矩来实现步态切换,从而改变平均行走速度。最后,通过计算机仿真验证了该方法的有效性。仿真结果表明:该控制策略能够有效地跟踪系统的期望轨迹及实现两种自然步态之间的切换,并形成稳定的极限环,实现机器人的稳定行走。

变长度柔性双足机器人行走控制及稳定性分析

针对传统双足机器人模型缺少脚质量和躯干的问题,提出考虑摆动腿动态及躯干影响的柔性双足机器人模型,并对其行走控制及稳定性进行研究。首先,建立系统的动力学模型并采用欧拉-拉格朗日法推导了系统的动力学方程;同时,在弹簧负载倒立摆(SLIP)模型的基础上添加刚性躯干、脚质量及采用变长度伸缩腿,充分考虑躯干及摆动腿动力学对机器人行走步态的影响;其次,设计基于变长度腿的反馈线性化控制器来跟踪目标轨迹,以及调节摆动腿和躯干的姿态;最后,利用Newton-Raphson迭代法和庞加莱映射分析机器人的不动点及轨道稳定性条件,并在理论分析的基础上进行仿真。仿真结果表明,所提控制器可以实现机器人的周期行走,对外界干扰具有良好的鲁棒性,且雅可比矩阵所有特征值的模均小于1,能形成稳定的极限环,证明系统是轨道稳定的。