欠驱动双足步行机器人高效稳定行走步态优化与分域控制研究

本项目主要研究欠驱动双足步行机器人的稳定行走内在机理、步态优化与控制,充分考虑欠驱动步行机器人的固有动态特性，研究并提出分域控制算法，使机器人获得整体运动状态空间的稳定性，提高机器人双足行走步态稳定鲁棒性与灵活性。.项目的主要研究内容包括：1）建立欠驱动双足步行机器人三维行走运动学-动力学描述模型；2）欠驱动步行机器人稳定行走动力学机理分析；3）欠驱动步行机器人混沌步态的分析与步态优化；4）欠驱动步行机器人分域控制方法研究。项目研究成果对双足步行基本理论的研究和开发双足机器人高效稳定行走控制策略具有重要意义。.项目创新之处在于：1）建立三维欠驱动步行机器人运动学-动力学模型；2)提出新的稳定性判别准则和吸引域估计方法；3）探讨确保纵向运动与侧向运动协调同步的步态优化方法；4）提出分域控制算法，实现欠驱动步行机器人的全局稳定控制。本项目将通过理论研究、数值仿真分析和原型机实验方法开展研究。

本项目主要研究欠驱动步行机器人的稳定行走内在机理、步态优化与控制。充分考虑欠驱动步行机器人的固有动态特性，研究并提出分域控制算法，使机器人获得整体运动状态空间的稳定性，提高机器人双足行走步态稳定鲁棒性与灵活性。项目合同拟定的主要研究内容包括：（1）建立欠驱动双足步行机器人三维行走运动学-动力学描述模型；（2）欠驱动步行机器人稳定行走动力学机理分析；（3）欠驱动步行机器人混沌步态的分析与步态优化；（4）欠驱动步行机器人分域控制方法研究。.项目完成的主要研究工作与结论包括：.（1）对多自由度的双足步行机器人建立了三维动态行走的运动学-动力学方程；（2）提出了计算双足被动行走机器人对应的庞加莱映射在不动点处雅可比矩阵的半解析法，和步态极限环吸引域的数值方法；（3）利用庞加莱截面法研究得出步态周期时间、支撑腿的初始状态等步态特征随斜面倾角的不断增大会出现倍周期分岔和混沌现象；（4）设计了分域控制，通过对不同区域的状态采取不同的驱动方式和控制方法，实现双足步行机器人大范围稳定行走；（5）当路况和行走速度发生变化时为了获得稳定的行走步态，提出了多种控制策略，使机器人在凹凸不平的地面上能够变速行走；（6）开发了双足机器人实时仿真系统。.项目创新之处在于：.1）建立了欠驱动双足步行机器人三维动态行走的运动学方程；确立了侧向运动与纵向运动之间的耦合关系；2) 提出了计算双足被动行走机器人对应的庞加莱映射在不动点处雅可比矩阵的半解析法，并对机器人的局部稳定性进行了研究； 3）提出了变路况切换控制，实现不同坡度间被动步态的平滑切换； 4）基于盲人走路和荡秋千的原理以及被动行走动力学原理，提出了基于简单力矩函数的神经网络预测控制方法。该控制方法使机器人在凹凸不平的路面上能够稳定行走；5）针对双足机器人的三维空间模型，提出了能量成型控制策略，实现仿生步态行走；（6）提出了域的划分方法，对不同区域的状态采取不同的驱动方式和控制方法，实现双足步行机器人大范围稳定行走；（7）采用引入约束和惩罚函数，简化了两点边界值最优控制的求解，得到了最优控制力矩和最优状态曲线，实现了最优步态的寻找。.项目的研究成果为（1）开发了双足机器人实时仿真系统；（2）在著名学术期刊和重要学术会议上发表论文20篇；获得授权国家发明专利1项；（3）培养青年教师 3人、已培养毕业博士生4人、硕士生5人。