双足准被动动力机器人抗扰性能优化理论及控制方法研究

准被动动力行走机器人是当前双足步行机器人领域的研究热点，对提高机器人类人行走具有重要意义。为充分利用重力，该类机器人仅对部分关节角采用分时电机驱动，因此与传统双足机器人相比抗干扰性较差。本文旨在最大限度提升机器人的抗扰性能：基于对现实机器人步态收敛区域准确刻画的分析，采用前后非对称椭圆形脚对圆规有膝步态模型进行优化；采用基于胞结构状态空间的贪心法实现步态模型参数的最佳定量优化配置，进而改善机器人物理结构限定的最大抗扰性能；基于极限环步态敏感范数的扰动抑制检测方法，实现快速、准确的外界扰动抑制检测；基于步态敏感范数的分域控制策略研究，加快机器人对外界扰动的适应，从而达到最大限度提高机器人的抗扰性能的目的。本项目研究成果的取得将有效拓展双足机器人相关基础理论和应用研究，具有较大的实用价值。

基于被动步行原理的双足步行机器人在行走过程中充分利用重力与自身惯性，并保持步态固有的内在稳定性与低能量消耗属性。然而，该属性导致此类机器人的步态稳定性对于自身结构参数与外界扰动具有高敏感性，任意参数微小的改动都将使机器人步态发生显著变化。因而，本课题从机器人步态的稳定性着手，通过对稳定行走步态与不稳定行走步态的全面分析，进一步从本质上揭示被动步行机理的深层次规律。. 首先，本课题针对人类脚部的结构特征以及现有理论模型的结构特点，对现有模型的脚部进行了完善，并通过Lagrange法与角动量守恒原理，建立双足纯被动步行机器人的混合动力学模型；鉴于圆弧足对于路面要求较高以及上体对于步行稳定能力的提升，构建了双足准被动机器人平脚躯体模型。. 其次，根据庞加莱映射原理，利用局部线性化方法，通过求出模型雅克比矩阵特征值的模对无膝双足被动模型局部稳定性进行了详细分析；根据胞映射的理论通过求解模型步态收敛区域的方法对双足被动模型全局稳定性进行分析，详细分析了各参数对机器人行走稳定性的影响，并根据稳定性分析的结论，获得了被动模型优化后的参数组合，并以此研制了双足纯被动机器人及双足准被动步行机器人样机。. 最后，通过增加踝关节并引入扭转弹簧实现平脚模型对圆弧足模型的近似代替，并提出了基于Floquet乘子与步态敏感范数的机器人扰动快速检测方法。结合本课题中研制的带躯体准被动双足步行机器人，针对理论模型与实物样机之间的差别以及现实步行环境不可预知的特性，提出基于CMAC网络的Sarsa增强学习控制的分域控制策略。. 本课题通过被动步行稳定性研究，为机器人结构参数优化配置、复杂多变的行走环境、特殊的行走任务等控制策略的研究提供了坚实的理论基础；而被动步行机理、柔性驱动、步态稳定性等研究也将对其它如类人型机器人、外骨骼机器人、助老/助残机器人等研究发展具有重要的指导意义。