力/位混合控制用于双足机器人不平整地面无碰撞行走的步态规划

【作者】 龚璐璐； 曾维康； 李剑锋；

【机构】 同济大学生命科学与技术学院；

【摘要】 双足机器人无碰撞行走的难点在于同时控制力和位置,力/位混合控制(Motion/forcecontrol)策略是解决该问题的重要方法之一。由于机器人行走过程中的多自由度和位姿的不确定性,双足机器人的位姿和地面反力结合的力/位混合控制策略可以实现双足机器人的无碰撞行走。本研究应用力/位混合控制策略进行了双足机器人跨越横沟的步态轨迹规划。我们前期研究已应用力/位混合控制策略建立了平面7-连杆双足机器人无碰撞行走的动力学模型。应用该模型,本研究对双足机器人跨越不同宽度横沟时踝关节的轨迹进行了优化分析。首先,假设当单腿支撑相向双腿支撑相转换时,摆动腿接触地面瞬间,速度为零,实现无碰撞接触。其次,在行走过程中,平面7-连杆双足机器人有6个控制力矩。在单腿支撑相,系统有6个自由度,双足机器人上半部分有3个非定常约束,摆动腿有3个非定常约束,系统只有位置控制(Motion control)。而在双腿支撑相,系统有3个自由度,双足机器人上半部分有3个非定常约束,即位置约束(Motion constraints),主动腿由于接触地面被施加了3个定常约束,即力约束(Force constraints),系统为力/位混合控制状态。最后,通过分析双足机器人在行走过程中的几何约束、能量消耗等的数学描述,将机器人的步态规划问题转化为寻优问题,获得双足机器人跨越不同宽度的横沟时的优化的踝关节轨迹。研究结果表明,应用该方法可以得到双足机器人无碰撞行走的合适的优化轨迹。该分析结果进一步深入研究还可扩展至双足机器人在有障碍路面行走的步态规划。更多还原