17、基于优化的五连杆平面双足机器人行走神经控制器设计

基于优化的五连杆平面双足机器人行走神经控制器设计

1. 引言

双足机器人控制存在一些基本问题，如欠驱动、与环境碰撞的脉冲特性、足部结构的存在以及大量的自由度。欠驱动与灵巧性相关，例如倒立动作。双足机器人下肢与环境的碰撞使系统动态具有脉冲性，足 - 地碰撞是设计鲁棒控制律的主要困难之一。与机器人操纵器不同，双足机器人可脱离行走表面，且其机构的多个自由度使连杆协调困难，因此设计实用的双足机器人控制器仍是一个具有挑战性的问题，也使传统稳定性裕度难以应用。

在单支撑阶段站立脚保持平放在地面的全驱动双足机器人中，零力矩点（ZMP）原理可保证机器人的稳定性。ZMP 是地面上地面反作用力产生的净力矩在两个位于地面平面的轴上为零的点。基于 ZMP，一些学者提出了行走模式合成方法。只要 ZMP 严格位于脚的支撑多边形内，期望轨迹就是动态可行的；若 ZMP 位于支撑多边形边缘，轨迹可能不可行。足旋转指示器（FRI）是 ZMP 的更一般形式，若 FRI 在站立脚的凸包内，机器人可行走且不会翻滚；若 FRI 超出脚在地面的投影，站立脚会绕脚趾或脚跟旋转，分别对应全驱动行走和欠驱动行走。对于点足双足机器人和单支撑阶段具有弯曲脚的被动动态行走器（PDW），ZMP 启发式方法不适用。

ZMP 准则是双足机器人轨迹生成的强大工具，但它需要对预记录轨迹进行刚性关节控制，在未知粗糙地形上的鲁棒性较差。而生物中脊髓的中央模式发生器（CPG）与肌肉骨骼系统耦合，CPG 和反馈网络可协调脊椎动物在运动过程中的身体连杆。Matsuoka 提出的神经振荡器模型被较多研究，该模型中 CPG 由两个相互抑制的神经元组成，每个神经元由非线性微分方程表示。

本文研究的是具有点足的五连杆平面双足机器人，其模型是混合