【摘 要】
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肌肉系统是驱动人类日常运动的一种生物结构型执行器,具有适应性好,功能性强、灵活性高的特点。将肌肉模型应用到半被动双足机器人中,增加机器人系统结构的柔顺特性和仿人特性,在双足机器人行走时就能表现出更好的稳定性和鲁棒性。本文从仿人行走步态控制机理出发,研究了基于肌肉模型的半被动双足机器人在平面上的行走控制问题。该研究有利于探究人类自身的结构组成和行走规律,还能够为医疗康复设备、家庭服务机器人等提供设计
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肌肉系统是驱动人类日常运动的一种生物结构型执行器,具有适应性好,功能性强、灵活性高的特点。将肌肉模型应用到半被动双足机器人中,增加机器人系统结构的柔顺特性和仿人特性,在双足机器人行走时就能表现出更好的稳定性和鲁棒性。本文从仿人行走步态控制机理出发,研究了基于肌肉模型的半被动双足机器人在平面上的行走控制问题。该研究有利于探究人类自身的结构组成和行走规律,还能够为医疗康复设备、家庭服务机器人等提供设计思路和技术支持。本论文的主要研究工作内容如下:（1）改进传统的Hill-type肌肉模型,推导了该肌肉系统的本构方程,并进行机理分析和可行性验证,结果说明本文提出的肌肉模型具有良好的仿生特性。用肌肉模型替换了可变刚度的弹簧负载倒立摆双足机器人模型中的弹簧系统,得到质点-肌肉模型的双足机器人系统,分析机器人的行走状态以及肌肉系统在双足机器人系统的工作原理及作用。（2）建立质点-肌肉模型双足机器人的动力学方程。仿人控制策略包括肌肉模型的主、被动伸缩实现系统能量的调整,以及固定着陆点和基于速度调整的摆动腿控制方法。仿真结果验证了基于能量调整控制器的有效性,两种摆动腿控制方法均可实现质点-肌肉模型机器人在平面上的周期性稳定行走。扰动下,系统可快速反应并重新进入稳定行走状态,基于速度调整的摆动腿控制方法具有更强的稳定性和鲁棒性。（3）在质点-肌肉模型双足机器人的基础上增加一个躯干自由度,得到躯干-肌肉模型的双足机器人。详细推导了该机器人系统在单腿支撑阶段和双腿支撑阶段的动力学方程,对无控制的躯干-肌肉模型双足机器人系统进行了仿真,结果表明无控系统无法正常行走,需要设计相应的控制器。（4）采用两种方案对躯干-肌肉模型双足机器人系统进行控制器的设计。一种方案采用了预设运动轨迹的方法设计了控制器,回归三个控制量误差,并对其进行阶段式PID控制,形成闭环调节。第二种方案引入了髋关节肌肉模型保证躯干的姿态稳定,采用基于肌肉伸缩的能量自适应方法和基于速度调整的摆动腿调节方法设计了控制器。理论分析的基础上,分别对躯干-肌肉模型双足机器人系统在两种控制器下的步态稳定性和抗干扰性进行仿真分析。结果表明:本文设计的两种控制器均可以实现躯干-肌肉模型机器人系统在平面上的稳定行走,具有良好的抗干扰性能。预设固定轨迹的控制器的鲁棒性能更强,但能量调整的控制器具有更好的能量自适应特性。
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