基于分布式模型的双轮腿—臂机器人运动与作业协调控制研究

• 作 者: 辛亚先
• 出 处: 山东大学
• 发表日期: 2020年01期

本文的研究对象为双轮腿-臂机器人,该类机器人兼具轮式高效移动能力、非平坦地形适应能力、手臂作业能力等优势,且能够适应人类工作环境,具备与人类交互协作的潜能。该类机器人结构复杂,同时融合了欠驱动特性、环境多点交互等控制难点。因此,如何将动态稳定控制融入轮-腿-臂协调控制中,充分发挥轮式运动能力、腿部结构的地形适应能力与手臂作业能力,是双轮腿-臂机器人控制需要解决的重要问题。近年来,针对双轮腿机器人的先进理论成果与工程样机不断出现,其高动态运动能力也掀起了该领域的研究热潮。结合当前发展现状,本文面向双轮腿-臂机器人的运动与作业需求,分别进行了机器人多模式控制方法、地形适应方法、轮-腿-臂协调规划与控制方法研究,主要内容与创新点如下:1.针对基于倒立摆简化模型的控制方法无法同时实现动态平衡与腿臂运动控制的问题,提出扩展内部水平姿态的逆运动学控制方法。首先,基于分布式模型的运动学传递关系,分别建立轮腿子系统、双轮腿系统、双轮腿-臂机器人的运动学模型。其次,对比分析点足式与轮足式机构踝关节运动耦合关系的差异,定位欠驱动特性对姿态控制的影响,建立扩展内部水平姿态的轮腿状态空间模型,完全描述轮足式系统的姿态变化。再次,基于一般点质量模型分析双轮腿系统的动态稳定约束条件,利用所构造的模型预测控制器将躯干水平加速度转化为内部水平姿态加速度。最后,设计扩展内部水平姿态的逆运动学控制框架,用内部水平姿态相图刻画多种不平衡初始姿态向动态平衡点收敛的过程。2.针对轮腿子系统的欠驱动特性所导致的控制器较难构造的问题,提出以轮为动基座、以轮腿-躯干交互力为末端输出力的轮腿—体化全驱动动力学模型,基于此构造以末端输出力为控制目标的轮腿力矩解算器,实现末端输出力与关节力矩的完全映射。首先,为轮腿子系统轮式浮动基座的欠驱动自由度添加初始状态量,建立以轮腿-躯干交互力为末端输出力的轮腿一体化全驱动动力学模型。然后,提出以躯干位姿为任务空间的分布式控制框架,分层规划躯干合力与关节力矩。最后,将提出的双轮腿系统行走与跳跃运动规划器以及多模式状态机与控制框架融合,实现矢状面轮-腿协调的轮式行走与跳跃柔顺控制。3.针对双轮腿系统在非平坦地面上的腿部地形适应与动态稳定保持较难同时实现的问题,提出基于轮腿姿态角约束的虚拟作动力分配方法,在轮腿姿态变化的同时保证了运动的动态平衡。首先,分析非平坦地形运动时,双轮腿系统动态平衡状态时左右轮腿姿态特征,释放站高、内部水平姿态约束,定义描述两者相关关系的姿态角约束。其次,分析躯干子系统三维空间运动时的过驱动现象,利用轮腿末端主动驱动力消除线性相关的被动驱动力,建立躯干合力与轮腿主动驱动力的完全映射关系。再次,提出基于轮腿姿态角约束的虚拟作动力分配方法,实现左右轮腿的姿态协调。同时,提出基于踝关节力矩补偿的地形适应策略,使双轮腿系统行进坡面角改变时,能够快速收敛并稳定在新的平衡姿态。最后,进行仿真与物理平台实验验证。4.针对双轮腿-臂机器人躯干、手臂协同运动以及手臂末端力输出需求,首先,提出基于分层优化的多任务空间规划方法,同时实现不同优先级任务空间的参考轨迹规划,消除全身运动规划冗余。其次,基于躯干动力学模型设计负载自适应估计器,对手臂与环境的交互力进行在线估计。再次,基于二级桌子-小车模型对轮腿-躯干-手臂力传递进行分析,提出基于躯干广义力规划的手臂运动与作业虚拟广义力前馈补偿方法,提高运动与作业的动态稳定性。最后,进行物理环境仿真实验。