理论教育 稳定性与控制方法优化建议:如何确保系统稳定性与控制效果?

稳定性与控制方法优化建议:如何确保系统稳定性与控制效果?

时间:2023-06-29 理论教育 版权反馈
【摘要】:随后各国的学者和研究机构纷纷展开双足步行机器人的研究工作。传感器还指示制动器控制机器人脚踝上弹簧的压力,使其整体平稳向前。被动动力步行机器人的最大优点在于,能量消耗低却能够实现像人一样有自然的步态。但当前对被动动力步行机器人的研究还不成熟,如稳定性、倒行等还需要进一步的深入研究。

稳定性与控制方法优化建议:如何确保系统稳定性与控制效果?

1.传统有动力驱动机器人

双足步行机器人的研究始于20世纪60年代,在1968年,美国通用公司的R.Smosher试制了一台名为“Rig”的操纵型双足步行机器人,揭开了双足步行机器人研究的序幕。但该机器人只有踝和髋两个关节,操纵者靠力反馈感觉来保持机器人的平衡。

1968~1969年,南斯拉夫的著名科学家M.Vukobratovic提出了一种重要的研究双足步行机器人的理论,即零力矩点(ZMP)稳定判据,并研制出世界上第一台真正意义的双足步行机器人。随后各国的学者和研究机构纷纷展开双足步行机器人的研究工作。

日本早稻田大学的双足机器人研究始于1968年,该大学的加藤一郎教授所领导的课题组相继研制了WL系列、WABIAN系列双足机器人。最新的研究成果为WL-16和WABIAN-2机器人,WL-16机器人腿部采用一对6自由度的并联机构。由于并联机构刚度高,许多金属部件用聚乙烯树脂代替,齿轮电动机等重量都得以减轻,可以在不平的地面上稳定行走。本田的ASIMO机器人通过事先预测到下肢转弯后重心向外侧倾斜多少等重心变化,可以使得从直行改为转弯时的步行动作变得连续流畅。而索尼的QRIO机器人在设计的过程中,将此前的用于步行的算法中增加了可即时控制机器人的跳跃方向和在空中时可保持平衡状态的姿势控制等的算法。

但是,传统有动力驱动机器人不能够动力平衡,它的行走是预先编好程序的,如果你让它在同样一个地方走两次,它在第二次会将它的脚放在与第一次同样位置上。当然前提是地面要坚固并且平整。而且,动力驱动双足行走机器人能量消耗大,这个问题一直是研究者考虑的重点。

2.被动动力行走机器人(www.daowen.com)

在任何一个特定时刻的行走过程中,我们人类不得不考虑(或者至少你的身体这样做了)落脚的方向,将脚放在正确的位置,使你能够沿你想的方向运动。对我们而言,实现这个过程很容易,但是求解这个问题很困难。当机器人脚落下时,意味着它的重心并不在脚(或两脚)的中间,偏差增长很快。如果机器人的不平衡达到几厘米时,就不太可能恢复了,因为也不能通过快速移动肢体进行补偿。像人一样高的东西会非常迅速、无法挽救地失去平衡。

美国航空工程师Tad McGeer在1989年提出一个新的理论,完全不用驱动也不用控制的机器人也能够实现稳定的步行运动,进而提出了“被动动力步行”概念。动力平衡方式行走,落脚实际上是经过控制的,使得机器人的行走看起来相当平稳。此后许多学者对被动动力行走机器人进行了深入的研究,并且研制出被动动力机器人样机。2005年2月21日召开的第171届美国科学促进会的年会上,由美国康奈尔大学、麻省理工学院和荷兰代尔夫特理工大学的科学家分别组成的研究小组,展示了他们研制出的能以人类步态直立行走的被动动力行走机器人,被认为代表了当前被动动力机器人研究的最新成果。

被动动力行走机器人内置多个传感器,使其能在20min内学会像人一样走路。传感器能以200次/s的速度测量机器人每个动作的倾斜度和速度,然后向其他电动机下达新指令来调节身体姿势。传感器还指示制动器控制机器人脚踝上弹簧的压力,使其整体平稳向前。每走一步,制动参数都会有所改变,所以机器人可以在任何路面上走路,并调节走路的姿势。

被动动力步行机器人的最大优点在于,能量消耗低却能够实现像人一样有自然的步态。已经得到了国外众多学者的深入研究,并取得了巨大的成果。但当前对被动动力步行机器人的研究还不成熟,如稳定性、倒行等还需要进一步的深入研究。

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