摘要
两足机器人是一种复杂的机电系统，通常机构设计较为复杂，因此在伺服控制过程中存在运动和动力耦合，且耦合影响着伺服控制的精度。本文以23自由度两足机器人腿为对象，主要针对机器人单腿自由度多，结构紧凑造成的运动耦合问题，研究耦合机理及解耦控制方法，以提升摆腿控制精度。主要研究内容如下： 首先，简要分析机器人样机模型，包括步行机理：两点式步行理论、机械结构、控制系统及传感系统四个方面，采用改进D-H法对机器人腿进行运动学建模，并设计重力补偿算法线性化模型。 其次，分析髋关节俯仰和横滚传动链，阐述运动学耦合和动力学耦合产生原因，并针对性设计控制策略。设计了基于非线性扩张状态观测器（NonlinearExtendedStateObserver,NESO）的自抗扰控制器（ActiveDisturbanceRejectionController,ADRC）以实现髋俯仰及横滚的解耦控制，通过数值仿真以及样机实验确定了控制器的各项参数及耦合补偿系数。结果表明ADRC在位置控制时解耦效果明显优于PID控制器，关节联动实验中可限制误差带范围在±0.5°内。 然后，针对弹簧-套索传动的机器人柔性踝关节，分析位置控制时的难点并确定控制目标。基于奇异摄动理论降阶系统维度，并根据末端角度误差分别设计快、慢变控制器进行切换控制。慢变控制器采用基于比例切换的滑模控制器，使末端快速稳定地到达期望位置；快变控制器采用状态反馈控制器，使得弹簧形变量迅速收敛至零。通过Simulink仿真和样机实验将切换控制与PID控制和滑模控制进行对比，结果表明，虽然三种控制器均满足快速性的要求，但只有切换控制可以保证多步位置控制时末端的稳定性，达到完整的控制目标要求。 最后，基于两点式步行理论设计规划机器人步态，并以摆动腿为例，验证本课题设计各关节控制器在摆腿过程中的良好位置控制效果。多关节联动实验结果表明，本课题提出的控制器在动态特性以及稳定性方面相较PID控制有提升。
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