双足机器人应对干扰的运动规划与控制

近年来机器人领域发展迅速，其中足式机器人尤其是双足机器人的运动规划 与控制受到的关注越来越多。本文主要针对位置控制双足机器人的抗干扰策略进 行研究探索。位置控制机器人运动过程中潜在的干扰因素主要是外力冲击以及和 外界的相互作用力的不确定性，与之对应的便是双足机器人的被推恢复问题以及 位置控制机器人的稳定器设计问题，且这两者均对机器人运行的稳定性至关重要。 针对双足机器人的被推恢复问题，即如何使机器人从受外力冲击后的状态恢 复到平衡稳定状态, 本文提出了一种基于变高度倒立摆模型的策略。我们采用了一 种基于哈密顿-雅可比可达性分析的新方法来处理变高度倒立摆模型的零步可捕获 性。这种方法使用值函数的次零水平集来刻画给定初始状态下变高度倒立摆模型 的可捕获性，其中值函数可以通过离线数值求解哈密顿-雅可比变分不等式获得。 基于这一分析，针对变高度倒立摆模型状态不是零步可捕获的情况，设计了一种 简单有效的调整立足点位置的方案。此外，哈密顿-雅可比可达性分析同时会给出 一个最优控制律，允许在被推恢复过程中在线使用变高度倒立摆模型快速进行轨 迹规划。整体框架的有效性已在 MuJoCo 仿真器中用 UBTECH Walker 机器人进行 了验证。仿真结果表明，与基于经典线性倒立摆模型的方法相比，本文提出的方 法使机器人在水平方向的抗冲击能力提升了近 12%。 对于位置控制机器人的稳定器设计，即如何增加机器人应对地形变化等干扰 因素的能力，本文从双足机器人的完整动力学出发，深入分析了关节位置指令对 脚掌处地面反作用力的影响，从而明确了关节位置指令和地面反作用力对于质心 运动跟踪的重要作用。在此分析的基础上，本文打破传统基于简化模型和零力矩 点的稳定器设计思路，提出了新的稳定器设计方案，该方案充分利用六维力测量 值并同时考虑全身各个运动之间的耦合作用。经过在仿真环境下的各类测试，证 明了新提出的稳定器相比于传统的稳定器拥有巨大的优势，能够使机器人应对更 大的干扰，使其能够适应更加复杂的地形。

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