仿人雙足機器人平衡性關鍵技術的研究.pdf

1、半個世紀以來仿人雙足機器人一直是機器人領域的研究熱點之一,其與工業(yè)機器人、輪式移動機器人等相比具有三個基本特征:能在人們所處的現(xiàn)實環(huán)境中工作;能使用人們所用的工具;具有人的形狀。但與上述機器人等相比,需要考慮的一個重要問題就是平衡問題,即雙足機器人不會摔倒能保持站立狀態(tài)。雙足機器人在直立、行走或作業(yè)過程中經常受到外力干擾,研究雙足機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器人與人的損傷等都具有現(xiàn)實意義。
　　本課題通過

2、理論分析和實驗對仿人雙足機器人的平衡性問題關鍵技術展開研究,主要內容包括平衡性理論基礎、步態(tài)規(guī)劃、平衡恢復和關節(jié)力矩約束條件分析等。
　　首先仿人雙足建立了機器人機構模型,基于簡化模型建立了仿人雙足機器人的運動學和動力學,從零力矩點(ZMP,Zero Moment Point)的定義、內涵、變形等方面進行分析,闡述ZMP與支撐多邊形、壓力中心點(COP,Center of Pressure)、腳旋轉指示器(FRI,Foot Rot

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

4、速度的變化關系,進而分析對關節(jié)控制力矩作用域的影響,得到COP約束在四個約束條件中占有主導地位,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/身高比對平衡恢復關節(jié)力矩的影響,可為仿人雙足機器人的機構設計提供理論指導。
　　針對仿人雙足機器人在工作環(huán)境中經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)下的平衡恢復問題。在直立狀態(tài)下有四種基本平衡恢復策略(踝關節(jié)、髖關節(jié)、邁步和抓拖策略),將平衡恢復問題分解

5、為平衡恢復策略選擇和平衡恢復實現(xiàn)兩個方面。分別從實時性和關節(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橢圓操作區(qū)域(ZMPME,ZMP Manipulability Ellipsoid)的平衡恢復策略選擇判據(jù)。機器人在受到強外力瞬間作用下,必須通過邁步策略實現(xiàn)平衡恢復,此時需要解決何時邁步、邁向何方兩個問題?；诜治龇椒ò褭C器人邁步策略分級為四個階段,并考慮了質心垂直下降對抑制干擾的作用,仿真及實驗結果表明機器人在強外力作用后

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