半被动双足机器人的准开环控制

第3l卷第2期2009年3月

文章编号;1002.-0446(2009)-02-0110-08

机器人

ROBOT

V01.31.No.2

M札.2009

半被动双足机器人的准开环控制付成龙1,2,黄元林2,王健美2,陈

恳1,2

(1.清华大学摩擦学国家重点实验室,北京100084;2.清华大学精密仪器与机械学系,北京100084)

摘要:目前的被动行走机器人还只能完成单一的步态,且非常容易摔倒,为此对半被动双足机器人的稳定行走控制问题进行了研究.通过结合被动行走和主动控制两种原理的优点,提出了一种准开环的行走控制方法.通过榆测安装在机器人足底和髌骨处的接触开关信号,袖:髋关节处施加一个间断的、微小的开环振荡力矩,进而实现高效的稳定步行.仿真结果表明,当控制参数在较大范吲内变化时,双足机器人仍可实现稳定行走,且步行能耗特性与人类相似:通过调节振荡力矩的参数,机器人可实现稳定的行走模式转换.

关键词:双足机器人;半被动行走;准开环控制;节能;自稳定中图分类号:TP24

文献标识码:A

QuasiOpen-loopControlforSemi-passiveBipedRobots

FUCheng-lon91.一,HUANGYuan—lin2,WANGJian—mei2,CHENKenl,2

(1.StateKeyLaboratoryofTrtbology。TsinghuaUniversity,Beifing100084,China;2.DepartmentofPrecisionInstrumentsandMechanology,Be(1ing100084。China)

Abstract:Sincethepresentpassivewalkingrobotswalkingcontrolproblemforasemi passivebiped

Call

onlyachieve

singlegaitandtend

tO

tumbleeasily,thestable

robot

isstudied.Aquasiopen—loopwalkingcontrolmethodispresented

contact

on

sensors

throughcombiningtheadvantagesofpassivewalkingandactivewalking.Bydetectingthesignalvaluesof

installed

to

underthefootandat

thekneecap,anintermittentandsmallopen-looposcillatorytorqueisimposedthehipjoint

realizestablewalkingwithhighefficiency.Thesimulationresultsshowthatthebiped

robot

tO

can

achievestablewalking

withinthe

relativelargeregionofcontrolparametersandtheenergy

oftheoscillatorytorque,therobot

cost

ofwalkingis

similar

humanbeings.By

modifying

parameters

Canachievestable

open -loop

transition

between

walkingpatterns.

Keywords:bipedrobot;semi passivewalking;quasi

control;energyefficiency;self-stable

1引言(Introduction)

传统的仿人双足机器人大多采用跟踪预设关节轨迹的控制方法【l】’虽然可实现类人行走和跑步,但控制机理与人类不同,且能耗性很高,例如,本田公司的ASIMO仿人机器人的行走能耗就是人类行走能耗的数十倍以上.被动行走为实现高效白然行走提供了一个可能的解决途径【2】,1990年,McGeer研制了一个无膝关:竹的被动双足机器人,该机器人行走时既不需要使用电池,也不需要控制,仅依靠重力就可以在斜坡上行走.

在McGeer之后,美国和欧洲的多所大学也开展了被动行走的研究,所研制的样机的复杂程度也在逐渐加大:由完全无驱动的被动机器人逐步转向

了少数几个关节带驱动的半被动步行机器人131.其中,比较典型的样机有美国康奈尔大学的CornellBiped、荷兰Delft大学的Denise以及美国MIT的Toldder.遗憾的是,这些半被动行走机器人只能完成单一的步态,且非常容易摔倒.例如,美国康奈尔大学研制的半被动行走机器人CornellBiped完成稳定行走的实验概率只有30%.

在理论研究方面,Asano等人将被动行走中的重力作用看作是方向一定的虚拟重力场,进而在一定程度上将纯被动行走扩展到了平地上[41;Ono等人通过在髋关节处施加一个与摆动小腿角度成比例的控制力矩,提出了自激行走的控制方法[51;Goswami等人通过施加在机器人髋关节和踝关节的控制力矩来调节机器人的能量,扩人了机

基金项目:国家自然科学旗金资助项日(50805082,50575119);圉家863计划资助项目(2006AA042253);清华大学摩擦学国家重点实验室自主研究课题(SKLT08809);教育部博上点基金资助项目(20060003026).

收稿日期:2008—06.10

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