被动双足机器人稳定性分析与步态控制

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被动双足机器人是机器人研究领域的一个重要的分支,以结构简单、能耗低、类人步态等特点被人们所熟知。由于被动双足机器人的发展时间较短,相关的研究尚未成熟,被动双足机器人尚不能应用于社会生产实践中。但是,被动双足机器人广阔的应用前景和实用价值,使得被动双足机器人成为近年来机器人研究领域的热点。  本文以Compass-like被动双足机器人简化模型为基础,在前人研究的基础上通过引入驱动控制装置设计了一种理论上能够实现水平面行走的被动双足机器人模型。针对模型进行合理简化,通过对被动双足机器人模型的步态分析,将模型周期步态分为两个阶段:摆动腿摆动阶段和摆动腿足地冲击阶段。针对机器人步态的不同阶段分别采用拉格朗日第二类方程和角动量守恒等方式进行动力学建模。  根据建立的被动双足机器人动力学模型进行稳定性分析。引进庞加莱映射,通过Newton-Raphson迭代法求解被动双足机器人的稳定不动点和机器人模型的稳定性判据。通过MATLAB仿真实现被动双足机器人稳定周期步态极限环。讨论并分析了影响被动双足机器人模型稳定周期步态行走的情况,得出了被动双足机器人模型稳定步态行走的初始条件。通过分析被动双足机器人模型的各部分机械结构参数对模型稳定性的影响对被动双足机器人的机械结构参数进行优化。考虑到模型引入外部驱动,针对模型的外部驱动引入扰动分析模型的鲁棒性。  针对被动双足机器人模型,为实现模型的稳定周期步态行走,采用三种步态控制:PID控制、迭代学习控制以及单神经元控制。利用MATLAB对三种控制方式进行周期步态和速度切换的仿真实验。结合三种控制方式的各自的控制特点和实验仿真结果进行对比分析。通过工作总结展望被动双足机器人的研究方向和应用前景。
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