隨機不確定擾動下平面雙足機器人動力學(xué)響應(yīng)特性研究.pdf

1、論文結(jié)合國家自然科學(xué)基金項目“雙足機器人多源隨機不確定性建模與智能控制及其動力學(xué)仿真實驗”(11372270)，開展了隨機不確定擾動下平面雙足機器人動力學(xué)響應(yīng)特性研究:研究了隨機不確定擾動下平面雙足機器人混合動力學(xué)與控制的建模方法;分析了隨機不確定參數(shù)、關(guān)節(jié)摩擦等因素在平面雙足機器人驅(qū)動關(guān)節(jié)中產(chǎn)生的隨機不確定擾動;基于平面雙足機器人混合動力學(xué)模型，研究了隨機不確定擾動下采用開環(huán)控制方法（Open-Loop Control Method，

2、OL方法）的平面雙足機器人動力學(xué)響應(yīng)特性;提出了反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-混合零動態(tài)(Back Propagation Neural Network-Hybrid Zero Dynamics，BPNN-HZD)、支持向量機-混合零動態(tài)(Support Vector Machine-Hybrid Zero Dynamics，SVM-HZD)反饋控制方法，優(yōu)化了隨機不確定擾動下平面雙足機器人動力學(xué)響應(yīng)特性。論文研究豐富了機器人動力學(xué)響應(yīng)特性研究的理

3、論方法，有效改善了隨機不確定擾動下平面雙足機器人動力學(xué)響應(yīng)特性，對機器人的穩(wěn)定行走具有重要意義。
　　本文的研究要點如下:
　　(1)研究了隨機不確定擾動下平面雙足機器人混合動力學(xué)與控制的建模方法。給出了平面雙足機器人的模型假設(shè)和運動假設(shè)，以及用于隨機不確定因素組合的Taguchi正交方法;采用Lagrange方法推導(dǎo)建立了不含擾動、隨機不確定擾動下雙足機器人混合動力學(xué)模型;分別給出了控制雙足機器人行走的OL方法、混合零動態(tài)

4、(Hybrid Zero Dynamics，HZD)反饋控制方法，提出了具有擾動補償器的機器人反饋控制方法，為隨機不確定擾動下機器人動力學(xué)響應(yīng)特性研究提供了理論基礎(chǔ)。
　　(2)研究了平面雙足機器人的隨機不確定擾動。建立了具有隨機不確定參數(shù)的平面五桿雙足機器人混合動力學(xué)模型，采用Monte Carlo方法、Taguchi正交方法研究了單個、多個隨機不確定參數(shù)在機器人驅(qū)動關(guān)節(jié)中產(chǎn)生的隨機不確定擾動，通過仿真實驗發(fā)現(xiàn)，依據(jù)隨機不確定擾

5、動的評價指標(biāo)，隨機不確定參數(shù)可分為強敏感性參數(shù)、敏感性參數(shù)和不敏感性參數(shù)，強敏感性參數(shù)相對于其他參數(shù)而言能夠產(chǎn)生更大的隨機不確定擾動。分別研究了機器人關(guān)節(jié)摩擦、電磁干擾在驅(qū)動關(guān)節(jié)中產(chǎn)生的隨機不確定擾動，研究發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)速度方向發(fā)生變化時，關(guān)節(jié)摩擦產(chǎn)生的隨機不確定擾動方向也會發(fā)生變化;電磁干擾可以產(chǎn)生連續(xù)性、階段性的隨機不確定擾動。需要采取必要措施對可能產(chǎn)生隨機不確定擾動的因素進行限制，以降低隨機不確定擾動的出現(xiàn)，進而減少機器人動力學(xué)響應(yīng)的波

6、動。
　　(3)研究了隨機不確定擾動下采用OL方法的平面雙足機器人動力學(xué)響應(yīng)特性。建立了平面五桿雙足機器人正向混合動力學(xué)模型;分別將周期擾動、脈沖擾動以及采用Taguchi正交方法組合的隨機不確定擾動與理想輸入力矩融合，采用OL方法將其輸入機器人各驅(qū)動關(guān)節(jié)，得到了機器人動力學(xué)響應(yīng)，分析了機器人動力學(xué)響應(yīng)特性。由研究結(jié)果可以得到:在支撐腿的膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)，以及擺動腿髖關(guān)節(jié)施加擾動時，機器人會發(fā)生更大的波動;擺動腿的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的輸

7、出相對于其他關(guān)節(jié)的輸出而言更為敏感;當(dāng)隨機不確定擾動幅值較大時，機器人會出現(xiàn)逐漸偏離預(yù)設(shè)步態(tài)軌跡的動力學(xué)響應(yīng)特性，因此一方面需要精確監(jiān)測機器人敏感性輸入、輸出變量，另一方面需要提出適用于隨機不確定擾動的反饋控制方法對機器人動力學(xué)響應(yīng)特性進行優(yōu)化。
　　(4)提出了一種BPNN-HZD方法，優(yōu)化了隨機不確定擾動下結(jié)構(gòu)較為簡單的平面雙足機器人動力學(xué)響應(yīng)特性。建立了平面三桿雙足機器人混合動力學(xué)模型，采用HZD方法對不含擾動、隨機不確定擾

8、動下機器人進行控制，研究了機器人動力學(xué)響應(yīng)特性;基于BPNN構(gòu)建了擾動補償器，提出了一種BPNN-HZD方法，研究了隨機不確定擾動下采用該方法的雙足機器人動力學(xué)響應(yīng)特性。研究結(jié)果表明:機器人軀干與縱坐標(biāo)的夾角及其角速度相對于其他變量而言更為敏感;隨機不確定擾動下機器人各關(guān)節(jié)的角度是連續(xù)變化的，但各關(guān)節(jié)的角速度出現(xiàn)了瞬時突變;隨機不確定擾動下，BPNN-HZD方法具有較強的抗擾動能力，能夠有效優(yōu)化結(jié)構(gòu)較為簡單的機器人動力學(xué)響應(yīng)特性。

9、>　　(5)提出了一種SVM-HZD方法，優(yōu)化了隨機不確定擾動下結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的平面雙足機器人動力學(xué)響應(yīng)特性。建立了平面五桿雙足機器人混合動力學(xué)模型;基于SVM構(gòu)建了擾動補償器，提出了一種優(yōu)化機器人動力學(xué)響應(yīng)特性的SVM-HZD方法;在隨機不確定擾動下，分別采用HZD方法、SVM-HZD方法對雙足機器人進行控制，研究了機器人動力學(xué)響應(yīng)特性。仿真結(jié)果表明:隨機不確定擾動下，機器人支撐腿膝關(guān)節(jié)的夾角以及軀干與坐標(biāo)軸的夾角較為敏感;受隨機不確定