四足机器人动态行走控制方法研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 刘明敏
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| 答辩日期 | 2021-08-21 |
| 授予单位 | 中国科学院沈阳自动化研究所 |
| 授予地点 | 沈阳 |
| 导师 | 曲道奎 ; 徐方 |
| 关键词 | 四足机器人 全身运动控制 运动发散分量 重心动力学 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 机械电子工程 |
| 其他题名 | Dynamic locomotion control for quadrupedal robots |
| 英文摘要 | 四足机器人具有非连续地面支撑的运动特点，能够跨越崎岖复杂的地形，具备在非结构化环境中的应用潜力。本研究旨在解决四足机器人运动规划及控制问题，提出了一种基于运动发散分量（DCM）方法论的分层优化运动规划及控制框架，该框架可利用模型对系统进行预测，根据预测结果进行优化来产生当前控制运动的控制参数。应用此框架，实现了四足机器人在复杂状态下的稳定运动。运动规划及控制框架分为三层，这些层次由上到下，预测时域逐级递减，模型逐级复杂，控制周期逐级递减。第一层为步态规划层：将四足机器人抽象成一个线性倒立摆模型，在给定四足机器人落脚点的情况下规划出线性倒立摆模型的运动轨迹。第二层为模型预测控制：根据步态规划给定的四足机器人质心的运动轨迹，在宽松约束条件下最优控制能量的引导，利用MPC的滚动优化策略，求解在短期内轨迹跟踪最优的基座控制参数（足底力）的期望值。第三层为全身动力学控制器：以减小加速度和足底力指令期望值的跟踪误差为优化目标，在满足一系列约束的情况下，在每个控制周期内用反馈信息实时求解最优的控制参数。本文的主要研究内容包括：针对浮动基座多支链四足机器人动力学建模复杂的问题，提出了一种基于李群李代数形式的牛顿欧拉方程的四足机器人动力学方程封闭解求解方法。将四足机器人拆分为四条支链，分别建立四条支链的动力学方程封闭解，然后整合出浮动基座四足动力学方程的封闭解。将其逆向动力学求解过程描述成优化问题，通过构建二次规划求解出最优的控制能量去跟踪控制轨迹。为了使四足机器人在出现较大的轨迹跟踪误差时仍然可以稳定运动，提出了一种基于DCM的在线步态规划方法。扩展了虚拟腿的概念，将四足机器人抽象成三维线性倒立摆模型（LIPM），根据离线规划的落脚点，应用DCM方法论递推出保持DCM有界的参考轨迹；运用宽松初始状态模型预测控制在满足一系列输入约束的情况下在线优化出可快速收敛到参考轨迹上的落脚点以及状态轨迹。针对四足机器人运动控制问题，本研究提出了一种基于DCM方法论的模型预测控制与基于重心动力学的全身运动控制相结合的控制方法。全身运动控制使用全尺寸动力学模型补偿模型预测中模型简化的影响，保证系统稳定；而模型预测控制补充了全身运动控制只能考虑当前状态的局限性，增强了系统的鲁棒性。本章分别提出了两种模型预测控制器，角动量控制器与足底力控制器。角动量模型预测控制与全身运动控制相结合实现了四足机器人双点足着地（欠驱动）平衡控制，足底力模型预测控制的使用增强了四足机器人的运动特性。最后，搭建了四足机器人物理样机，对本文所提出的方法进行综合验证。通过四足机器人姿态变换实验，对角小跑实验和扰动恢复实验验证了本文所提出的浮动基座动力学建模及求解方法、四足机器人步态规划以及基于重心动力学的全身运动控制算法的有效性。 |
| 语种 | 中文 |
| 产权排序 | 1 |
| 页码 | 114页 |
| 源URL | [http://ir.sia.cn/handle/173321/29403]  |
| 专题 | 沈阳自动化研究所_其他 |
| 作者单位 | 中国科学院沈阳自动化研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 刘明敏. 四足机器人动态行走控制方法研究[D]. 沈阳. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2021. |
入库方式： OAI收割
来源：沈阳自动化研究所
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