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两足溜冰机器人运动控制系统

研究了两足溜冰机器人的溜冰运动控制方法,提出了由关节空间的位置控制器、地面反作用力阻抗控制器组成的运动控制系统。溜冰机器人的阻抗控制通过改变支撑脚的负载阻抗来保证机器人以一定的柔性与地面接触。当相应腿处于摆动期和着地期时采用阻抗控制,其他阶段则采用计算力矩法,以此可以有效提高溜冰运动的姿态稳定性。运用所提出的溜冰运动控制方法,在溜冰机器人样机上实现

第7第8卷期 2 1年 8月 02

中国利狂做

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VI o8 o 7N . . Au g. 2 1 02

两足溜冰机器人运动控制系统 李金良,孙友霞,姜雪,谷明霞 (山东科技大学机械电子工程学院,山东青岛 26 1) 650 摘要:研究了两足溜冰机器人的溜冰运动控制方法,提出了由关节空间的位置控制器、地面反作用力阻抗控制器组成的运动控

制系统。溜冰机器人的阻抗控制通过改变支撑脚的负载阻抗来保证机器人以一定的柔性与地面接触。当相应腿处于摆动期和着地期时采用阻抗控制,其他阶段则采用计算力矩法,以此可以有效提高溜冰运动的姿态稳定性。运用所提出的溜冰运动控制方法, 在溜冰机器人样机上实现了动态稳定下 0 3/的溜冰运动。 . s 1m 关键词:机器人;双足步行;运动控制;阻抗控制;姿态稳定性中图分类号:T 22 P 4文献标志码:A文章编号:29 -28(020一 63 4 05 73 1) Ol— 2 8 4

M o i n c n r l y t m rb p d s a i gr b t to o t o se f i e k t o o s s o n Liil n Jni g, S nYo xa Ja gXu, GuM ig i a u u i, in e n xa

( hooM ca i ln Eetn s ni ei,hnogU i rtoSh cad eho g, i coSadn 26 1,h a S o l ehn aad l r i E g er gS adn n e i f m e n T nl yOn ̄,hnog 650C/ ) c f c coc n n vs c y c o g, n Ab ta t W esu ida o o o l l to o bp ds aigrb t. em oinc to se i c mp sdo te s o o nrl r sr c: de m t nc nr meh dfr ie k t o osTh t i o n t o o rl y tm s o o e fh p i nc t l n s o t i oe

i t ji a d eg udr co r no e T eipane no ir le r g ag gt a p6ne n h o tpc a on atnf c c l lrh eac l ls e i dt o hc n i el di eac e n s e n t r h e i o eo r l. m o c r az h u h n h o m b t e h u p rn e n ru dt ananf xbe

c na t hl h r s o dn g i i wiga dsp o t gp ae, e ewe ntesp o t glg a dg o n om iti e il tc i l o .W i etec r p n igl s n n u p rn h ss t o e e sn i h

ipdnecn o i a】 t ri, ecm u dt qecn o i ue yte r s oo n o m t d w ae m eac ol l ( d Oh ws t pt r l l sd B o e m tnc l l e o, ehv r b s e eh o e o u o r s h p p d i o r h o s cs uy ee pd u es l dvl e a ) c fl o d ct lsan moe et n oewt ape o01 ms a ekt g vm nc l lr i e f . / sb i o rl h s d 3 . Ke ywo d:o os ie o o oin; mo o o nr l m p d n c l l o tr tbly r s rb t;bp dlc m t o i t nc l;i e a c o r;p sues it o e n o a i

步行机器人由于具有较强的地形适应能力和移动性能而获得了极大的重视和关注,但是动态稳定控制的复杂性却限制了步行机器人的移动速度与实际应用【与之相 J。比,轮式移动机器人虽只能在平坦的地面上运行,但具有结构和控制简单、运行速度和能量效率高的优点。因此, 学者们开始研究既能保持两种机器人各自优点,又能避开其缺点的腿轮混合式机器人,如 Hrs的 R lrWa e3 i e o ol l l e k ̄ 和 A ai dh等的 Wa’ R l l n o机器人。 k l受到 R lr l r o eWa e的 l k

关键。由于溜冰柳器^摆动腿的主动蹬地动作加之系统模型随支撑腿和摆动腿的更替而不断发生变化,导致姿态稳定的

控制异常困难。步行胡器人的运动控制方法主要有基于模型 简化的方法基于Z、 MP点的控制方法和基于神经网络和强化学习算法的控制方法[ 9 1等。对于溜冰机器^、,由于而言摆动腿着地时有主动的蹬地动作,地面反作用力对姿态的稳定陛影响较大,因此匆行士反作用力的控制。除此之崎外,在—个溜冰运动周期内存在被动溜冰阶段,在这个阶段中要求运动控制系统能够及时将溜冰姿态镇定到期望的位置而不受地面变化的干扰。由于在动力学建模过程中所作的假

启发,笔者将滚轮安装在两足步行机器人的脚部形成两足 溜冰机器人,如图 1示,实现两足机器人的轮滑溜冰运所

动,这样可以大大提高两足步行机器人的运行速度。给两 足步行机器人的脚部安装滚轮就如同人穿上轮滑溜冰鞋 一

设和简化忽略了溜冰机器人的滚动摩擦力,这就要求整个运 动控制系统! 强的鲁陛。为此笔者提出了如图 2

样,在平坦的地面上可以做快速溜冰运动。当地面不适

所示的溜冰机器人 .运动控制系统,整个控制系统的、部分由位置伺服控制器、地面反作用力控制器两部分组成,其中

宜溜冰运动时,溜冰机器人可以变成步行机器人做正常步行运动。 如何屎证两足溜冰机器 l日 l j期: 02 6 8瞒 21- - 00基金项目:高等学校博士学科最专顾荆钥基金资助项目( l3 l1 2 07 8删 0

位置伺服控制器由 P I D控制器组成,详细的设{ j参考 寸蛩青 文 1]。 0

)

作者简介:李金良 1 5 )男,副教授,主要研 (7一, 9究方向:机器^定位与导航、机器人视觉、机器人控带眯埘器人,i ac g ̄.m忏 lu i n c x n@ o

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