動態雙足機器人的控制與優化研究

賀琳 王鵬勃

1 引言

在20世紀90年代初期，世界上很多國家地區都對動態雙足機器人進行了深入的研究，動態雙足機器人采用的是與人類行動方式類似的運動方式，能夠對人類的行走進行仿真模擬，而且有著低能耗的特點，而且能夠在任務的過程中保持合理的穩定狀態。雙足機器人研究難度最高的內容就是動態運動，這對于其運用有著重要作用，能夠讓機器人更加的靈活，而在行走的時候，雙足機器人相對于輪式機器人比較更不穩定，所以有必要對規劃其行走步態，保證與地面接觸時的撞擊最低。

2 動態雙足機器人基本概念與控制原理

2.1 動態雙足機器人基本概念

雙足動態運動是生物體與生俱來的能力，也是生物生存的基礎性能力，動態雙足機器人是對雙足生物運動的一種仿真模擬，是利用機械的形式進行一種運動方式，與固有的機器人運動方式相比，動態雙足機器人的運動軌跡更加富有空間，能夠對不同的環境進行適應，保證在多種環境下都可以進行指令的完成，尤其是在最適合落腳點的范圍內，雙足機器人的優勢得以體現，能夠很好的進行動作。

2.2 動態雙足機器人的控制原理

動態雙足機器人的控制原理為靜態步行，這是在機器人運動狀態下的算法體現，其中機器人的重心在機器人底部水平的投影之中，此處為不規則的支撐范圍。控制原理是在機器人運動的時候，保證機器人的穩定性，但是這樣的控制方法使機器人的速度受到限制，這是因為重心的投影一直在支撐范圍不變。在控制原理中的另一種方法為動態步行，這讓機器人的運動速度受到的限制特別小，在快速運動的過程中，在停止時候出現不穩定的情況，所以零力矩點被引入此控制原理內，在單足進行支撐的時候，引入ZMP=COG，讓機器人穩定性提高（如圖1）。

XZMP=XMC- MC

其中，XZMP為正向ZMP，XMC為質量中心前進的位移，l為倒立擺的長度，g為重力加速度。

3 動態雙足機器人周期軌道穩定性分析方法

3.1 ZMP穩定性分析

ZMP穩定性分析方法是通過對單足支撐過程中與地面完全接觸，對不同的自由度進行控制，避免出現運動狀態下的不穩定情況的一種判斷，當動態雙足機器人動態平衡的情況下，重力與慣性的合力對ZMP點力矩與水平面兩個垂直方向分量是零，ZMP有必要始終落在動態雙足機器人支撐范圍中，因為在運動的過程中才可以更加穩定，而國內很多學者對其進行完善的過程中認為，這樣方法僅僅適用于平穩地面的情況，ZMP才可以使機器人在一些動作下不會翻轉。

3.2 龐加萊映射穩定性分析

龐加萊映射穩定性分析方法只能夠對平衡部分穩定性進行分析，所以這也意味著只能在干擾比較小的狀態下， 龐加萊映射穩定性分析方法才能夠發揮真正的作用，因為動態雙足機器人運動行為是低維的，能夠有效的對步行運動的穩定程度進行解決，在分析動態雙足機器人的動作穩定程度的過程中， 有必要對其行走過程中所有截面序列對應的截面映射因子進行統計，橫截面映射因子的計算與慣性矩陣、切換映射、切換前狀態變量和系統的虛擬約束有關，計算橫截面映射因子所需的時間復雜性很大，對穩定性有很大影響。

動態雙足機器人的穩定程度一直是其最為主要的問題，也是很多專家學者所關注的重點，當下已經存在的穩定性分析方法都不能夠對其穩定性進行全面的滿足，所以急需一個能夠對動態雙足機器人在不同情況下的穩定程度分析方法。

4 動態雙足機器人反饋系統閉環特性的魯棒性

在具體動態雙足機器人執行指令的過程中，所受到客觀環境的影響會導致其系統不穩定，這種機器人的正常行走動作對環境的需要條件比較苛刻，當結構參數與環境發生變化，比如坡度突然變化，這會使機器人面臨翻轉的情況，無法正常行走，通過對穩定性的分析性質能夠讓系統對不穩定條件與切換環境時候的行走狀態更加，最終對動態雙足機器人強魯棒的與高程度的穩定行走狀態進行實現。

動態雙足機器人在不穩定的環境條件下，有必要設立更加適應周邊環境的反饋控制器，這樣才能夠最大程度的保證動態雙足機器人對不熟悉環境的適應，更好的魯棒穩定程度也是今后需要重點研究的方向。

5 動態雙足機器人的步態優化控制理論

5.1 動態平衡控制理論

若要保證動態雙足機器人能夠在不平整的路面上行走，有必要對行走的足距進行調整，這樣能夠保證穩定落地的效果，還可以通過調整行走的速度與高度來滿足機器人的動態平衡。當行走是向前的時候，速度就決定了穩定的程度，所以在行走狀態的時候，有必要對機器人的加速度進行調整。當有固定的行走速度，這時候在行走過程中的距離就決定了穩定程度，有必要調整垂直速度，也就是對雙足運動的時間進行調整。

5.2 基于仿生學的優化控制理論

在對雙足機器人步態優化控制進行分析的過程中，仿生學是主要的研究方向之一，在基于中樞模式發生裝置與穩定性結合的控制設計理論方法，對機器人的動作進行分析，一定程度保證機器人的穩定性，通過仿照人類的動作并捕捉要點，在進行分析運動過程中雙足的控制方法，把運動的策略與機器人步態結合，讓機器人可以在不同的環境下穩定運動，通過仿生的方式機器人的東西更加穩定，所依據的是生物學結構，但仍舊有差異性，這在未來也是一個需要考慮的研究重點。

5.4 PDAC 控制理論

機器人在運動的過程中，與地面接觸的范圍有時是完全與彈性的接觸，這時候雙腿支撐的被動動態自動控制（ PDAC，Passive dy-namic autonomous control ）理論方法就得到運用，這時能夠把機器人當作能夠改變長度的立體倒立模型，繼續轉變味二維系統，倒立擺的軌跡由二維系統控制，所以有必要更新參數來改變穩定性（如圖2）。

6 結語

本文主要對動態雙足機器人的控制與優化的相關內容進行分析研究，在對基本概念進行簡要的概述，繼而對動態雙足機器人的控制原理方法進行介紹，并對其周期軌道穩定程度方法進行總結，主要有ZMP穩定性分析判斷法與龐加萊映射穩定性分析，在對步態優化控制進行分析過程中有多個理論研究方法，希望今后雙足機器人能夠有更強魯棒，可以在運行過程中得到最佳效果，我相信在不久的將來，動態雙足機器人將被廣泛應用于工農業生產，使我國的經濟快速發展。

參考文獻：

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