动态双足机器人的控制与优化研究

贺琳 王鹏勃

1 引言

在20世纪90年代初期，世界上很多国家地区都对动态双足机器人进行了深入的研究，动态双足机器人采用的是与人类行动方式类似的运动方式，能够对人类的行走进行仿真模拟，而且有着低能耗的特点，而且能够在任务的过程中保持合理的稳定状态。双足机器人研究难度最高的内容就是动态运动，这对于其运用有着重要作用，能够让机器人更加的灵活，而在行走的时候，双足机器人相对于轮式机器人比较更不稳定，所以有必要对规划其行走步态，保证与地面接触时的撞击最低。

2 动态双足机器人基本概念与控制原理

2.1 动态双足机器人基本概念

双足动态运动是生物体与生俱来的能力，也是生物生存的基础性能力，动态双足机器人是对双足生物运动的一种仿真模拟，是利用机械的形式进行一种运动方式，与固有的机器人运动方式相比，动态双足机器人的运动轨迹更加富有空间，能够对不同的环境进行适应，保证在多种环境下都可以进行指令的完成，尤其是在最适合落脚点的范围内，双足机器人的优势得以体现，能够很好的进行动作。

2.2 动态双足机器人的控制原理

动态双足机器人的控制原理为静态步行，这是在机器人运动状态下的算法体现，其中机器人的重心在机器人底部水平的投影之中，此处为不规则的支撑范围。控制原理是在机器人运动的时候，保证机器人的稳定性，但是这样的控制方法使机器人的速度受到限制，这是因为重心的投影一直在支撑范围不变。在控制原理中的另一种方法为动态步行，这让机器人的运动速度受到的限制特别小，在快速运动的过程中，在停止时候出现不稳定的情况，所以零力矩点被引入此控制原理内，在单足进行支撑的时候，引入ZMP=COG，让机器人稳定性提高（如图1）。

XZMP=XMC- MC

其中，XZMP为正向ZMP，XMC为质量中心前进的位移，l为倒立摆的长度，g为重力加速度。

3 动态双足机器人周期轨道稳定性分析方法

3.1 ZMP稳定性分析

ZMP稳定性分析方法是通过对单足支撑过程中与地面完全接触，对不同的自由度进行控制，避免出现运动状态下的不稳定情况的一种判断，当动态双足机器人动态平衡的情况下，重力与惯性的合力对ZMP点力矩与水平面两个垂直方向分量是零，ZMP有必要始终落在动态双足机器人支撑范围中，因为在运动的过程中才可以更加稳定，而国内很多学者对其进行完善的过程中认为，这样方法仅仅适用于平稳地面的情况，ZMP才可以使机器人在一些动作下不会翻转。

3.2 庞加莱映射稳定性分析

庞加莱映射稳定性分析方法只能够对平衡部分稳定性进行分析，所以这也意味着只能在干扰比较小的状态下， 庞加莱映射稳定性分析方法才能够发挥真正的作用，因为动态双足机器人运动行为是低维的，能够有效的对步行运动的稳定程度进行解决，在分析动态双足机器人的动作稳定程度的过程中， 有必要对其行走过程中所有截面序列对应的截面映射因子进行统计，横截面映射因子的计算与惯性矩阵、切换映射、切换前状态变量和系统的虚拟约束有关，计算横截面映射因子所需的时间复杂性很大，对稳定性有很大影响。

动态双足机器人的稳定程度一直是其最为主要的问题，也是很多专家学者所关注的重点，当下已经存在的稳定性分析方法都不能够对其稳定性进行全面的满足，所以急需一个能够对动态双足机器人在不同情况下的稳定程度分析方法。

4 動态双足机器人反馈系统闭环特性的鲁棒性

在具体动态双足机器人执行指令的过程中，所受到客观环境的影响会导致其系统不稳定，这种机器人的正常行走动作对环境的需要条件比较苛刻，当结构参数与环境发生变化，比如坡度突然变化，这会使机器人面临翻转的情况，无法正常行走，通过对稳定性的分析性质能够让系统对不稳定条件与切换环境时候的行走状态更加，最终对动态双足机器人强鲁棒的与高程度的稳定行走状态进行实现。

动态双足机器人在不稳定的环境条件下，有必要设立更加适应周边环境的反馈控制器，这样才能够最大程度的保证动态双足机器人对不熟悉环境的适应，更好的鲁棒稳定程度也是今后需要重点研究的方向。

5 动态双足机器人的步态优化控制理论

5.1 动态平衡控制理论

若要保证动态双足机器人能够在不平整的路面上行走，有必要对行走的足距进行调整，这样能够保证稳定落地的效果，还可以通过调整行走的速度与高度来满足机器人的动态平衡。当行走是向前的时候，速度就决定了稳定的程度，所以在行走状态的时候，有必要对机器人的加速度进行调整。当有固定的行走速度，这时候在行走过程中的距离就决定了稳定程度，有必要调整垂直速度，也就是对双足运动的时间进行调整。

5.2 基于仿生学的优化控制理论

在对双足机器人步态优化控制进行分析的过程中，仿生学是主要的研究方向之一，在基于中枢模式发生装置与稳定性结合的控制设计理论方法，对机器人的动作进行分析，一定程度保证机器人的稳定性，通过仿照人类的动作并捕捉要点，在进行分析运动过程中双足的控制方法，把运动的策略与机器人步态结合，让机器人可以在不同的环境下稳定运动，通过仿生的方式机器人的东西更加稳定，所依据的是生物学结构，但仍旧有差异性，这在未来也是一个需要考虑的研究重点。

5.4 PDAC 控制理论

机器人在运动的过程中，与地面接触的范围有时是完全与弹性的接触，这时候双腿支撑的被动动态自动控制（ PDAC，Passive dy-namic autonomous control ）理论方法就得到运用，这时能够把机器人当作能够改变长度的立体倒立模型，继续转变味二维系统，倒立摆的轨迹由二维系统控制，所以有必要更新参数来改变稳定性（如图2）。

6 结语

本文主要对动态双足机器人的控制与优化的相关内容进行分析研究，在对基本概念进行简要的概述，继而对动态双足机器人的控制原理方法进行介绍，并对其周期轨道稳定程度方法进行总结，主要有ZMP稳定性分析判断法与庞加莱映射稳定性分析，在对步态优化控制进行分析过程中有多个理论研究方法，希望今后双足机器人能够有更强鲁棒，可以在运行过程中得到最佳效果，我相信在不久的将来，动态双足机器人将被广泛应用于工农业生产，使我国的经济快速发展。

参考文献：

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