仿人雙足機(jī)器人平衡性關(guān)鍵技術(shù)的研究.pdf

1、半個(gè)世紀(jì)以來仿人雙足機(jī)器人一直是機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一,其與工業(yè)機(jī)器人、輪式移動機(jī)器人等相比具有三個(gè)基本特征:能在人們所處的現(xiàn)實(shí)環(huán)境中工作;能使用人們所用的工具;具有人的形狀。但與上述機(jī)器人等相比,需要考慮的一個(gè)重要問題就是平衡問題,即雙足機(jī)器人不會摔倒能保持站立狀態(tài)。雙足機(jī)器人在直立、行走或作業(yè)過程中經(jīng)常受到外力干擾,研究雙足機(jī)器人的平衡問題對于其能夠完成作業(yè)、與人共處以及防止機(jī)器人與人的損傷等都具有現(xiàn)實(shí)意義。
　　本課題通過

2、理論分析和實(shí)驗(yàn)對仿人雙足機(jī)器人的平衡性問題關(guān)鍵技術(shù)展開研究,主要內(nèi)容包括平衡性理論基礎(chǔ)、步態(tài)規(guī)劃、平衡恢復(fù)和關(guān)節(jié)力矩約束條件分析等。
　　首先仿人雙足建立了機(jī)器人機(jī)構(gòu)模型,基于簡化模型建立了仿人雙足機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué),從零力矩點(diǎn)(ZMP,Zero Moment Point)的定義、內(nèi)涵、變形等方面進(jìn)行分析,闡述ZMP與支撐多邊形、壓力中心點(diǎn)(COP,Center of Pressure)、腳旋轉(zhuǎn)指示器(FRI,Foot Rot

3、ation Indicator)、虛擬ZMP(FZMP,Fictitious ZMP)、虛擬水平面(VHP,Virtual Horizontal Plane)之間的關(guān)系,并推導(dǎo)質(zhì)心雅可比和在外力干擾下ZMP計(jì)算公式。
　　要實(shí)現(xiàn)雙足穩(wěn)定,仿人雙足機(jī)器人雙腳與地面之間必須同時(shí)滿足四個(gè)約束條件(重力約束、摩擦力約束、COP約束和腳尖——腳后跟約束)。仿人雙足機(jī)器人在受到外力干擾后,身體會產(chǎn)生傾角和角速度,通過分析這些約束條件隨傾角和角

4、速度的變化關(guān)系,進(jìn)而分析對關(guān)節(jié)控制力矩作用域的影響,得到COP約束在四個(gè)約束條件中占有主導(dǎo)地位,滿足約束條件存在控制盲區(qū)。最后分析了摩擦力系數(shù)和腳長/身高比對平衡恢復(fù)關(guān)節(jié)力矩的影響,可為仿人雙足機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。
　　針對仿人雙足機(jī)器人在工作環(huán)境中經(jīng)常受到外力干擾而失去平衡的問題,分別分析和解決在直立、行走兩種狀態(tài)下的平衡恢復(fù)問題。在直立狀態(tài)下有四種基本平衡恢復(fù)策略(踝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、邁步和抓拖策略),將平衡恢復(fù)問題分解

5、為平衡恢復(fù)策略選擇和平衡恢復(fù)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方面。分別從實(shí)時(shí)性和關(guān)節(jié)控制力矩約束兩方面提出了基于初始相平面和基于零力矩點(diǎn)橢圓操作區(qū)域(ZMPME,ZMP Manipulability Ellipsoid)的平衡恢復(fù)策略選擇判據(jù)。機(jī)器人在受到強(qiáng)外力瞬間作用下,必須通過邁步策略實(shí)現(xiàn)平衡恢復(fù),此時(shí)需要解決何時(shí)邁步、邁向何方兩個(gè)問題?；诜治龇椒ò褭C(jī)器人邁步策略分級為四個(gè)階段,并考慮了質(zhì)心垂直下降對抑制干擾的作用,仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明機(jī)器人在強(qiáng)外力作用后

6、,通過邁步平衡恢復(fù)策略ZMP回到支撐區(qū)域內(nèi),仿人雙足機(jī)器人回到直立姿態(tài)。
　　對于在仿人雙足機(jī)器人在行走過程中的抗干擾問題,首先基于預(yù)觀控制實(shí)現(xiàn)了雙足機(jī)器人快速步行離線步態(tài)規(guī)劃算法。對仿人雙足機(jī)器人在快速步行過程中,單雙腳支撐期交替頻率加快,提出了側(cè)向質(zhì)心擺動幅度遞減。仿人雙足機(jī)器人受到外力干擾后,經(jīng)過分析提出了在線主動調(diào)整落腳點(diǎn)位置來補(bǔ)償ZMP波動實(shí)現(xiàn)平衡恢復(fù)。同時(shí)通過理論計(jì)算與仿真分析發(fā)現(xiàn)擺動腿的加速和減速運(yùn)動會使仿人雙足機(jī)器