有膝关节与上身的欠驱动双足机器人分岔步态抑制及抗扰方法研究

The walking method based on passive dynamic walking theory is known for its natural gait and excellent energy efficiency close to humans. There are two important reasons that hinder the application of this theory in the field of humanoid robots: one is that the model used is too simplified, and it is quite different from the human body structure or the commercial humanoid prototype, making the theory difficult to put into practice; the second is that there exists many non-single-periodic gaits and the open loop disturbance rejection ability of the gait is poor, which calls for control to improve, however the passive-based walking theory is difficult to be compatible with traditional high gain feedback control. This project will improve both aspects through the improvement of the model and the innovation of control methods. Firstly, the stable periodical walking on the flat ground of the kneed bipedal robot with a torso, whose configuration is closer to human’s structure and mass distribution, is realized via hip coupled elastic actuation; then, the model-predictive-based control is employed to suppress the non-single-periodic gait by means of small parameter perturbation, and the walking speed and energy efficiency are improved without destroying the natural and efficient characteristics of walking; finally, to improve the disturbance rejection ability of the robot on uneven rough terrain or under external force impulse, the disturbance is modeled and suitable disturbance rejection ability measure is designed, followed by the model predictive control. These research work will not only contribute to the improvement of the humanoid robot's athletic ability, but also promote the developments of lower limb and hip rehabilitation equipment and intelligent exoskeleton.

基于被动行走理论的步态生成方法因其步态自然且能量效率接近人类而闻名。阻碍该理论在仿人机器人领域应用的重要原因有二：一是所用模型过于简化，与人体结构或主流仿人机器人样机差异较大，难以实际应用；二是该方法生成步态中有丰富的非单周期步态，且行走的开环抗扰能力较差，需要控制介入，但该理论难与传统高增益反馈控制兼容。本项目将通过模型的改进和控制方法的创新改善这两方面问题。首先，通过髋部弹性耦合驱动实现有膝关节与上身的双足机器人在平地上的稳定行走，该构型更接近人体结构与质量分布；继而，在平地行走基础上，基于模型预测控制思想，通过小参数摄动抑制非单周期步态，在不破坏自然高效特点的前提下，提升行走速度及能量效率；最后，为提高抗扰能力，对扰动建模，构造抗扰能力指标，通过模型预测控制，提升扰动下的行走生存能力。这些研究工作不仅有助于仿人机器人运动能力的提升，还能促进下肢及髋部康复设备、智能外骨骼等领域的发展。

双足行走是机器人研究与应用中的重要课题。基于被动行走理论的双足行走方法因其步态自然且能量效率接近人类而受到广泛关注。但由于被动行走理论研究中，所用模型通常过于简化，与人体结构或主流仿人机器人差异较大，在实际应用中难以转化，同时该方法生成的步态中有着丰富的非单周期步态，即分岔步态，且行走的开环抗扰能力较差，需要外部控制介入，但该理论的被动理念却不兼容传统高增益反馈控制，认为其将破坏自然高效的被动动力学，因此这两个因素阻碍了被动行走理论在仿人机器人步态生成与行走控制领域的发展。本项目从模型改进和控制方法创新两方面入手对被动行走理论进行改善，通过研究有膝关节与上身的双足机器人的弹性驱动行走方法、非单周期步态抑制及抗扰控制方法，充分利用被动动力学特性，实现了结构上接近人类的双足机器人自然、高效、稳健的行走。. 首先，本项目构建了有膝关节与上身的双足欠驱动机器人构型，并建立其行走的动力学模型，通过摆动相与碰撞相四个动力学过程的推导，建立了描述完整行走过程的微分代数混合动力学系统；其次，在动力学模型基础上，通过数值仿真方法，给出了斜坡上的稳定单周期步态，并进一步通过引入弹性耦合能量补入机制，替代了斜坡上的重力驱动，实现了平地上的欠驱动动力行走；再次，基于模型预测思想，设计非单周期步态抑制方法，通过微小参数摄动，实现了分岔步态回归单周期步态以及不稳定单周期步态的镇定，提高了行走性能，并将该方法应用于行走抗扰，提高了行走对台阶与推动扰动的抵抗能力，加速了扰动后的步态收敛；最后，为获得脚底与地面交互的力学特性，研发了薄膜压力传感器，并应用于可穿戴设备。. 本项目采用了更接近人类的机器人构型，通过设计弹性耦合补能机制与模型预测控制，尽可能地保留与利用有膝关节与上身双足机器人自身的被动特性，实现了自然高效的平地动力行走。相关研究发表了3篇SCI索引论文，并申请了1项发明专利。这些研究工作扩展了对仿人机器人模型及动力学的理解，有望为仿人机器人结构设计及运动控制提供参考与帮助，也将有助于下肢及髋部康复设备、智能外骨骼等领域的发展。