Asymptotisch stabile Fortbewegung eines fünfgliedrigen unteraktuierten 3-D bipedalen Roboters

In diesem Papier werden drei Feedback-Controller vorgestellt, die einen asymptotisch stabilen, periodischen und schnellen Gang für einen 3-D bipedalen Roboter erreichen, der aus einem Torso, drehbaren Knien und passiven (nicht aktuierten) Punktfüßen besteht. Die Gehfläche wird als starr und eben angenommen; der Kontakt zwischen dem Roboter und der Gehfläche soll die Gierrotation hemmen. Der untersuchte Roboter hat 8 DOF in der einbeinigen Unterstützungsphase und sechs Aktuatoren. Neben der reduzierten Anzahl von Aktuatoren ist das Interesse an der Untersuchung von Robotern mit Punktfüßen, dass die Feedback-Kontrolllösung die natürlichen Dynamiken des Roboters ausdrücklich berücksichtigen muss, um das Gleichgewicht beim Gehen zu erreichen. Wir verwenden eine Erweiterung der Methode der virtuellen Einschränkungen und der hybriden Null-Dynamik (HZD), einer sehr erfolgreichen Methode für planare Bipedalisten, um gleichzeitig eine periodische Bahn und einen autonomen Feedback-Controller zu berechnen, der die Bahn für einen 3-D (räumlichen) bipedalen Gehroboter realisiert. Diese Methode ermöglicht es, die Berechnungen für das Controller-Design und die periodische Bahn auf einem 2-DOF-Untersystem des 8-DOF-Roboter-Modells durchzuführen. Die Stabilität des Gehgangs unter geschlossenem Regelkreis wird mit der Linearisierung der eingeschränkten Poincaré-Karte der HZD bewertet. Die meisten periodischen Gehgänge für diesen Roboter sind instabil, wenn die gesteuerten Ausgaben als die aktuierten Koordinaten ausgewählt werden. Drei Strategien werden erkundet, um einen stabilen Gang zu erzeugen. Die erste Strategie besteht darin, eine Stabilitätsbedingung während der Suche nach einem periodischen Gang durch Optimierung zu erzwingen. Die zweite Strategie verwendet einen ereignisbasierten Controller, um die Eigenwerte der (linearisierten) Poincaré-Karte zu modifizieren. In der dritten Herangehensweise wird der Einfluss der Auswahl der Ausgaben auf die Null-Dynamik diskutiert und eine angemessene Auswahl der Ausgaben vorgeschlagen, die zur Stabilisierung ohne den Einsatz eines zusätzlichen ereignisbasierten Controllers führt.