欠驱动双足行走机器人步态优化与稳定控制

本书针对欠驱动双足行走机器人的步态优化与稳定控制等问题进行研究，系统建立Compass-like双足行走机器人和带膝关节双足行走机器人的2D及3D模型。在分析人类行走时下肢肌电信号变化规律的基础上，本书提出只在踝关节加驱动的双足行走机器人欠驱动方式。针对时间尺度控制策略存在的问题，本书提出能量成型控制，其可使双足行走机器人行走速度和行走步长之间协调变化，实现仿生控制。此外，本书将无源理论应用到双足行走机器人的稳定性分析中，证明了能量成型控制后的系统仍具有无源性，进而从系统能量的角度分析了系统的稳定性。针对如何扩大双足行走机器人的行走范围，本书采用分域控制策略。为了使双足行走机器人系统的行走状态实现最优，本书通过加入约束函数和惩罚函数法，将最优步态和最优力矩求解问题简化。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 研究背景与意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.2.1 主动双足行走 2
1.2.2 被动动态行走 4
1.3 动态运动分析及控制 6
1.4 存在问题 7
第2章 双足行走机器人的模型及行走的生物运动特征 8
2.1 概述 8
2.2 双足行走机器人的结构和动力学 8
2.2.1 单腿支撑阶段的动态方程 9
2.2.2 双腿支撑阶段的动态方程 10
2.2.3 混合动态模型 10
2.3 极限环及被动动态行走 11
2.4 Compass-like双足行走机器人2D模型 11
2.5 Compass-like双足行走机器人3D模型 13
2.6 带膝关节的双足行走机器人2D模型 16
2.6.1 膝盖碰撞前摆动阶段的动力学方程 17
2.6.2 膝盖碰撞时的状态方程 18
2.6.3 膝盖碰撞后回摆阶段动态方程 19
2.6.4 脚接触地碰撞动态方程 19
2.7 带膝关节的双足行走机器人3D模型 20
2.7.1 膝盖碰撞前摆动阶段的动力学方程 21
2.7.2 膝关节碰撞时的状态方程 23
2.7.3 单腿支撑阶段回摆阶段动态方程 24
2.7.4 脚触地阶段动态方程 26
2.8 行走的生物运动特征 27
2.9 本章小结 31
第3章 时间尺度控制 32
3.1 概述 32
3.2 双足行走机器人前向行走的速度 32
3.3 连续系统的广义时间尺度控制 35
3.4 混合系统的时间尺度控制 36
3.4.1 常时间尺度控制 37
3.4.2 变时间尺度控制 38
3.5 本章小结 39
第4章 能量成型控制 40
4.1 概述 40
4.2 2D模型能量成型控制器设计 40
4.3 动能成型控制器设计 42
4.4 Compass-like机器人仅在踝关节驱动时能量成型控制器设计 44
4.5 2D双足行走机器人系统动能成型控制 48
4.6 2D系统角度不变能量成型控制 50
4.7 2D系统能量成型控制仿真研究 51
4.8 3D能量成型控制 54
4.9 3D系统能量成型控制仿真研究 58
4.10 3D系统角度不变能量成型控制设计 60
4.11 3D系统角度不变能量成型控制仿真实验研究 61
4.12 本章小结 64
第5章 稳定性分析 65
5.1 概述 65
5.2 基于庞加莱映射理论的稳定性 65
5.3 耗散性和无源性的定义 66
5.4 耗散性、无源性与稳定性的关系 68
5.5 本章小结 76
第6章 分域控制 77
6.1 概述 77
6.2 状态空间域的划分 77
6.3 域控制器的设计 78
6.4 仿真研究 81
6.5 本章小结 84
第7章 步态优化控制 85
7.1 概述 85
7.2 Compass-like双足行走机器人的最优控制 85
7.3 固定终点速度和终止时间的最优控制 90
7.4 仿真求解 94
7.5 本章小结 95
参考文献 96