面向双足被动步行机器人周期步态规划及混沌控制的动能成型方法的改进研究

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与传统的双足步行机器人相比,双足被动步行机器人具有行走能量利用效率高,具有仿生学行走特征等优点,目前已经成为双足步行机器人研究领域中的一个热点方向。针对双足被动步行机器人的周期步态规划问题,即在保持双足机器人被动行走的特点下,进一步提高机器人的行走速度的问题,已经提出了多种方法,动能成型方法则是其中一种新的、有效的控制方法。混沌是一种非线性系统中普遍存在的动力学行为。双足被动步行机器人作为一种典型的强非线性系统,同样存在着混沌现象。通常认为混沌会引起机器人的倾倒,对于双足被动步行机器人系统来说是有害的。因此,需要抑制混沌步态,即需要实施混沌控制;然而,近年来的研究发现人类行走过程中也存在着混沌步态,因此,激发混沌,利用双足被动步行机器人中的混沌又成为研究的热点。总之,混沌控制和反控制是双足被动步行机器人设计中的重要问题。本文重点研究面向双足被动步行机器人的动能成型方法。主要研究工作和结论如下:1、在充分研究现有面向双足被动步行机器人的动能成型方法基础上,对动能成型方法进行了改进。通过构造动能函数时引入初始相位,提出了一种新的动能函数的构造方法。为本文后续的研究工作奠定了基础。2、针对双足被动步行机器人的周期步态规划问题,利用穷举法可以确定出动能函数的最优初始相位的取值。通过数值仿真计算验证了改进的动能成型方法能够使系统获得更高的步行速度。研究了最优初始相位值与斜坡角度之间的关系、对动能成型方法控制效果的影响。研究了改进的动能成型方法施控下系统会出现的分岔现象。3、针对双足被动步行机器人的混沌控制和反控制问题,从能量的角度出发确定出了适用于构造动能函数最优初始相位值取值和幅值参数,实现了基于动能成型方法的双足被动步行机器人混沌控制和反控制。数值仿真结果验证了所提出控制方法的有效性。对动能成型方法在被动步行机器人混沌与反控制中的优缺点和控制过程中出现的现象进行了分析,对面向混沌控制与反控制问题与面向周期步态规划问题的构造动能函数初始相位值取值差异进行了分析和讨论。
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