仿人機器人運動平衡研究.pdf

1、機器人產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展正在逐漸改變著我們的生活方式。仿人機器人作為與人類形象最貼近的、也是最容易為人類所接受的一種機器形態(tài)，從誕生之日起就被賦予了更好地服務人類的使命，因而也引起了越來越多的關注，并有許多學者對其進行了深入的研究。雙足行走的特性是仿人機器人區(qū)別其它形態(tài)機器人的一個重要標志，同時步態(tài)研究也是該領域的一個重點和難點。而在與周圍環(huán)境發(fā)生動態(tài)交互時，對運動的干擾是不可避免的，機器人如何應對外界干擾的平衡性問題也就顯得尤為重要。

2、r>　　 本文著眼于仿人機器人運動平衡問題的研究，針對有外界干擾力存在的站立和行走的控制策略進行相關探討，設計全狀態(tài)反饋控制器以平衡機器人系統(tǒng)；提出兩種上身補償運動規(guī)劃來應對地面摩擦的改變對機器人運動的影響，保證機器人的穩(wěn)定運動，并提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度。本文的具體工作如下：
　　 1．研究仿人機器人站立狀態(tài)時受到外界干擾力的控制策略。在仿人機器人站立平衡研究中，由于模型的高維數(shù)和非線性，目前的優(yōu)化策略大都只能應用到簡單的前向模型

3、，而對于側(cè)向平面和三維干擾力還沒有很好的解決方案；所有的研究中都是以沖擊力為干擾設計控制策略，忽略了實際環(huán)境中的持續(xù)干擾。鑒于以上情況，設計全狀態(tài)反饋控制器研究機器人有干擾的站立平衡控制策略，將干擾力分成沖擊力和持續(xù)力兩種類型，針對作用力的不同類型、大小、位置和方向優(yōu)化控制器參數(shù)。將機器人模型分為站立前向、側(cè)向和三維作用平衡模型：在前向模型中，1）以四種不同的簡化模型探討人類應對干擾力的四種不同的平衡策略，分析當機器人受到不同的沖擊力或

4、持續(xù)力的響應軌跡，并以最大可處理干擾力為例對各個關節(jié)在站立平衡中的作用進行相關討論；2）以二連桿模型為例，研究機器人站立平衡的增益變化規(guī)律，討論各個關節(jié)狀態(tài)對平衡行為的影響；3）在腰部平衡策略討論中，用一系列隨機作用力對所優(yōu)化的控制器進行魯棒性測試，并與LQR控制器進行性能比較。最后，用側(cè)向平面七個自由度模型分析機器人受到側(cè)向力的行為反應，用十三個自由度模型分析機器人受到三維作用力的性能，以及對這兩種模型的全狀態(tài)反饋控制器進行參數(shù)優(yōu)化。

5、
　　 2．研究仿人機器人行走狀態(tài)時受到外界干擾力的控制策略。鑒于更復雜的行走模型、行走時與地面的碰撞和多動力學切換等原因，目前還沒有優(yōu)化策略用于全模型機器人的有干擾行走控制中。為此，我們設計全狀態(tài)反饋控制器研究機器人行走過程中有外界干擾的平衡問題，針對不同的外界干擾力將機器人模型分為前向模型、側(cè)向模型和三維模型三種情況，并根據(jù)作用力的大小、位置和方向，設計各自優(yōu)化方案對控制器參數(shù)進行優(yōu)化，給出受干擾后機器人的運動反應分析。在此

6、只研究以沖擊力為干擾的運動平衡問題，持續(xù)力可以用相同的方法進行控制器設計和研究。
　　 3．研究仿人機器人在地面摩擦發(fā)生變化時的行走平衡控制策略。因為行走是與周圍環(huán)境動態(tài)交互的一個過程，所以地面摩擦的改變會導致機器人原有運動模式的變化，已有的相關研究大都通過軀干和腰部的運動進行補償，但都忽略了手臂對整個身體運動的作用，并且這些行為都不是模仿人類的運動。從觀察人類快速運動出發(fā)，規(guī)劃上身（包括軀干和手臂）運動以補償?shù)孛婺Σ恋母淖儗C

7、器人運動的影響。首先分析機器人在運動過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，并以補償系統(tǒng)自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為目標提出軀干自轉(zhuǎn)補償運動用以模仿人類在無臂情況下的運動模式；分析手臂擺動對全身運動的影響，并提出模擬人類正常行為的手臂擺動補償運動，以滿足ZMP規(guī)則的先決條件；并從能量消耗的角度對這兩種補償方式進行了比較。仿真中，采用兩種設定條件進行研究，一是在機器入快速運動模式下；二是針對地面環(huán)境的改變。兩個結(jié)果都可望驗證本文所提出的補償運動能保證機器人的運動穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)