基于虚拟约束设计与多重Lyapunov分析的3D双足行走全局位置跟踪控制

腿式运动性能的一个安全关键度量是机器人在环境中跟踪其期望时变位置轨迹的能力，本文称之为“全局位置跟踪”。本文提出一种非线性控制方法，实现对三维（3-D）双足机器人行走的渐近全局位置跟踪。由于复杂的混合机器人模型与时变的期望全局位置轨迹，设计全局位置跟踪控制器是一个具有挑战性的问题。针对该问题，第一个主要贡献是构造冲击不变性以确保所有期望轨迹遵从落脚冲击动力学，这是实现混合行走系统渐近跟踪的必要条件。得益于这些条件和期望全局位置的无关性，可利用其解耦全局位置的高层规划与其余轨迹的低层规划，从而极大减轻运动规划的计算负担。第二个主要贡献是对混合闭环系统的基于Lyapunov的稳定性分析，其给出充分条件以指导控制器设计，从而在完全驱动行走中实现渐近全局位置跟踪。在一个具有二十个转动关节的3-D双足机器人上的仿真与实验证实了所提控制方法在保证精确跟踪方面的有效性。