仿人機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平衡研究.pdf

1、機(jī)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(jī)器人作為與人類(lèi)形象最貼近的、也是最容易為人類(lèi)所接受的一種機(jī)器形態(tài)，從誕生之日起就被賦予了更好地服務(wù)人類(lèi)的使命，因而也引起了越來(lái)越多的關(guān)注，并有許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了深入的研究。雙足行走的特性是仿人機(jī)器人區(qū)別其它形態(tài)機(jī)器人的一個(gè)重要標(biāo)志，同時(shí)步態(tài)研究也是該領(lǐng)域的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。而在與周?chē)h(huán)境發(fā)生動(dòng)態(tài)交互時(shí)，對(duì)運(yùn)動(dòng)的干擾是不可避免的，機(jī)器人如何應(yīng)對(duì)外界干擾的平衡性問(wèn)題也就顯得尤為重要。

2、r>　　 本文著眼于仿人機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平衡問(wèn)題的研究，針對(duì)有外界干擾力存在的站立和行走的控制策略進(jìn)行相關(guān)探討，設(shè)計(jì)全狀態(tài)反饋控制器以平衡機(jī)器人系統(tǒng)；提出兩種上身補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)規(guī)劃來(lái)應(yīng)對(duì)地面摩擦的改變對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的影響，保證機(jī)器人的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，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(jī)器人站立狀態(tài)時(shí)受到外界干擾力的控制策略。在仿人機(jī)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(yīng)用到簡(jiǎn)單的前向模型

3、，而對(duì)于側(cè)向平面和三維干擾力還沒(méi)有很好的解決方案；所有的研究中都是以沖擊力為干擾設(shè)計(jì)控制策略，忽略了實(shí)際環(huán)境中的持續(xù)干擾。鑒于以上情況，設(shè)計(jì)全狀態(tài)反饋控制器研究機(jī)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(lèi)型，針對(duì)作用力的不同類(lèi)型、大小、位置和方向優(yōu)化控制器參數(shù)。將機(jī)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(jiǎn)化模型探討人類(lèi)應(yīng)對(duì)干擾力的四種不同的平衡策略，分析當(dāng)機(jī)器人受到不同的沖擊力或

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

5、
　　 2．研究仿人機(jī)器人行走狀態(tài)時(shí)受到外界干擾力的控制策略。鑒于更復(fù)雜的行走模型、行走時(shí)與地面的碰撞和多動(dòng)力學(xué)切換等原因，目前還沒(méi)有優(yōu)化策略用于全模型機(jī)器人的有干擾行走控制中。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)全狀態(tài)反饋控制器研究機(jī)器人行走過(guò)程中有外界干擾的平衡問(wèn)題，針對(duì)不同的外界干擾力將機(jī)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(shè)計(jì)各自?xún)?yōu)化方案對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，給出受干擾后機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)反應(yīng)分析。在此

6、只研究以沖擊力為干擾的運(yùn)動(dòng)平衡問(wèn)題，持續(xù)力可以用相同的方法進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)和研究。
　　 3．研究仿人機(jī)器人在地面摩擦發(fā)生變化時(shí)的行走平衡控制策略。因?yàn)樾凶呤桥c周?chē)h(huán)境動(dòng)態(tài)交互的一個(gè)過(guò)程，所以地面摩擦的改變會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人原有運(yùn)動(dòng)模式的變化，已有的相關(guān)研究大都通過(guò)軀干和腰部的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，但都忽略了手臂對(duì)整個(gè)身體運(yùn)動(dòng)的作用，并且這些行為都不是模仿人類(lèi)的運(yùn)動(dòng)。從觀察人類(lèi)快速運(yùn)動(dòng)出發(fā)，規(guī)劃上身（包括軀干和手臂）運(yùn)動(dòng)以補(bǔ)償?shù)孛婺Σ恋母淖儗?duì)機(jī)

7、器人運(yùn)動(dòng)的影響。首先分析機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，并以補(bǔ)償系統(tǒng)自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為目標(biāo)提出軀干自轉(zhuǎn)補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)用以模仿人類(lèi)在無(wú)臂情況下的運(yùn)動(dòng)模式；分析手臂擺動(dòng)對(duì)全身運(yùn)動(dòng)的影響，并提出模擬人類(lèi)正常行為的手臂擺動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)，以滿足ZMP規(guī)則的先決條件；并從能量消耗的角度對(duì)這兩種補(bǔ)償方式進(jìn)行了比較。仿真中，采用兩種設(shè)定條件進(jìn)行研究，一是在機(jī)器入快速運(yùn)動(dòng)模式下；二是針對(duì)地面環(huán)境的改變。兩個(gè)結(jié)果都可望驗(yàn)證本文所提出的補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)能保證機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)