仿人机器人的步态规划和步行控制研究

【摘要】仿人机器人是当今机器人研究领域最具代表性的研究课题之一,它集多门学科知识和多项高新技术于一体,汇聚了机电、计算机、材料、传感器、控制技术及人工智能等多个学科领域的尖端技术。仿人机器人要完成基本的类人行为动作,就必须要稳定的双足动态步行,实现稳定动态步行的基础是规划出稳定裕度大的步态；由于仿人机器人是一个高自由度,变结构、强耦合的复杂非线性系统,因此仿人机器人步行控制的研究具有重要的理论指导意义和实际应用价值。本文对仿人机器人的步态规划和步行控制进行了较为深入的研究,研究主要内容如下：(1)基于预观控制的仿人机器人在线步态规划研究针对离线步态规划计算量大耗时长的缺点,提出了一种基于ZMP(ZeroMomentPoint)预观控制的在线步态规划的方法,对仿人机器人的动力学进行分析,扩展桌子-小车模型,该方法首先根据给定的步态参数,利用三次样条插值函数规划出踝关节的轨迹,由此再规划出期望ZMP轨迹,在给定机器人初始状态的情况下,基于扩展桌子-小车模型的预观控制器利用期望ZMP的未来信息以及桌子-小车模型的输出值与期望ZMP的误差和反馈的机器人状态得到质心轨迹,让髋关节跟踪质心轨迹,最后求解逆运动学方程就可得到机器人各关节角度轨迹；再次构造ZMP预观控制器,利用预估ZMP与期望ZMP之间误差的未来信息对髋关节轨迹进行校正,达到提高稳定性的目的。该方法可事先计算好所需的参数,其在线计算量不大,不用进行循环优化就能得到稳定的步态,因此可以根据实时反馈的信息在线规划步态。(2)采用踝关节角度校正与双臂摆动的综合步行控制由于踝关节和臂关节的关联性小可解耦控制,因此分别对二者进行控制。对于踝关节角度校正,通过分析其倒立摆模型的动力学方程,得到踝关节力矩、角度、ZMP位置三者之间的关系,构造二次线性最优控制器来校正踝关节角轨迹,以此达到控制ZMP移动的目的；对于臂关节的摆动控制,先给出参数化的双臂摆动轨迹,根据双臂摆动产生力矩与摆动角度之间的数学关系,以完全抵消偏摆力矩为目标,求反三角函数可得到双臂的摆动角轨迹。在仿人机器人的步行控制中,除对支撑腿踝关节角轨迹进行校正外,还控制双臂跟踪生成的摆动角轨迹。仿真实验表明,该方法既能保证良好的ZMP跟踪性能又能较好地抵消了仿人机器人步行中的偏摆力矩。最后对本文做出了总结,说明了本文的主要研究成果,同时提出了展望。
【作者】曾鹤；
【导师】杨宜民；
【作者基本信息】广东工业大学，控制科学与工程，2014，硕士
【关键词】仿人机器人；步态规划；预观控制；零力矩点；步行控制；

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