面向室內(nèi)環(huán)境的人形機(jī)器人的運(yùn)動控制.pdf

1、人形機(jī)器人以其類人的外形逐漸從機(jī)器人中脫穎而出，為越來越多的學(xué)者所關(guān)注。目前對人形機(jī)器人的研究尚停留在室內(nèi)環(huán)境。相對惡劣的自然環(huán)境室內(nèi)環(huán)境雖然更加友好，但是人形機(jī)器人與身俱來的非線性、高維性以及不穩(wěn)定性使雙足運(yùn)動控制成為近年來機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。本文在回顧人形機(jī)器人的發(fā)展歷程之后將詳細(xì)從“穩(wěn)定性判據(jù)”、“步行模式生成”和“反饋控制”三個(gè)方面詳細(xì)介紹雙足運(yùn)動控制的研究現(xiàn)狀。
　　 機(jī)動性一詞源于機(jī)器人世界杯RoboCup

2、，具備較高機(jī)動性的機(jī)器人往往具有較高的控球率，從而能夠獲得比賽的主動權(quán)。對人形機(jī)器人來說機(jī)動性是很重要的，特別是在未來的家庭服務(wù)中，機(jī)器人需要及時(shí)的響應(yīng)上層控制命令;需要具備遇到障礙物時(shí)及時(shí)躲避的能力;還需要具備較高的步行速度，以在最短時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)。本文將介紹一種高機(jī)動性的步行模式生成方法，該方法打破傳統(tǒng)的常量ZMP模型，用兩個(gè)三次樣條曲線表示機(jī)器人一步中前向平面和側(cè)向平面的ZMP軌跡，并同步規(guī)劃生成每個(gè)控制周期的ZMP軌跡和質(zhì)心軌跡

3、。該方法響應(yīng)上層控制命令的最大延遲為一個(gè)步行周期，最小延遲為一個(gè)控制周期，并能夠在行走過程中一步實(shí)現(xiàn)任意的足跡切換。該方法還避免了雙足支撐階段ZMP軌跡的連接問題，從而使得速度進(jìn)行平滑的過度，這對機(jī)器人頻率的提升起到了至關(guān)重要的作用。此外，對于ZMP軌跡走向的不可控問題，我們給出了兩個(gè)方法來進(jìn)行優(yōu)化和修正，分別是在線的以最短雙足支撐時(shí)間為目標(biāo)的優(yōu)化方法和基于離散化技術(shù)對超出支撐多邊形的ZMP軌跡的修正方法。
　　 本文還將介紹一

4、種全新的物理模型，該模型能夠表示機(jī)器人軀干的角動量，對于進(jìn)一步提高機(jī)器人的機(jī)動性具有重要作用。對此模型的動力學(xué)推導(dǎo)和基于離散化的數(shù)值解法本文也將詳細(xì)給出。
　　 近年來，一些高端機(jī)器人在國際上獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，它們能夠進(jìn)行多種靈活的雙足動作，如跑步、上下樓梯、在未建模的不平地面上行走等。當(dāng)然，這些動作的實(shí)現(xiàn)很大程度上得益于它們高檔的硬件和精密的做工，這也是使這些機(jī)器人的成本居高不下的原因。08年，NAO機(jī)器人成為RoboCup標(biāo)準(zhǔn)平臺項(xiàng)

5、目的標(biāo)準(zhǔn)比賽用機(jī)器人，其以完整的傳感器系統(tǒng)和相對低廉的價(jià)格獲得了大家的支持。低端機(jī)器人的興起加速了人形機(jī)器人民用化和進(jìn)入家庭的進(jìn)程，對它們的研究具有重大的意義。低端機(jī)器人面臨著一些問題，如彈性關(guān)節(jié)會導(dǎo)致電機(jī)控制的偏差，低精度和高延遲傳感器會導(dǎo)致反饋控制的失敗等。本文將以機(jī)器人NAO為平臺，對其展開一系列的研究。
　　 首先本文將介紹一種理論上的彈性關(guān)節(jié)前饋補(bǔ)償方法，該方法基于拉格朗曰方程，利用倒立擺模型求得機(jī)器人的關(guān)節(jié)補(bǔ)償公式。

6、我們還將使用機(jī)器人行走的特性來加速此補(bǔ)償公式的計(jì)算，使其具備在線計(jì)算的能力。
　　 本文還將介紹不同行走環(huán)境下的不同反饋控制策略組合。當(dāng)機(jī)器人在平地行走時(shí)，我們采用基于慣性傳感器的閉環(huán)步行模式生成方法和踝關(guān)節(jié)反饋控制兩種策略，機(jī)器人能夠以步行周期0.18[s]的高頻運(yùn)動進(jìn)行穩(wěn)定行走。當(dāng)機(jī)器人在不平地面行走時(shí)，我們采用基于關(guān)節(jié)傳感器的閉環(huán)步行模式生成方法和基于慣性傳感器的姿態(tài)控制這兩種反饋策略，還有兩個(gè)反饋策略只在機(jī)器人遇到較大干

7、擾時(shí)才會觸發(fā)，它們是基于壓力傳感器的地面反作用力控制和機(jī)器人質(zhì)心高度控制策略。該反饋策略的組合能夠使得機(jī)器人在未建模的不平地面上進(jìn)行穩(wěn)定的雙足行走，不平地面包括各種障礙物和不穩(wěn)定的動態(tài)斜坡。
　　 本文的主要貢獻(xiàn)有四點(diǎn):
　　 第一，提出了一種滿足機(jī)動性指標(biāo)的步行模式生成方法，該方法根據(jù)最新的上層控制指令生成每步足跡，其響應(yīng)高層控制命令的最大延遲僅為一個(gè)步行周期，最小延遲為一個(gè)控制周期，滿足了及時(shí)響應(yīng)控制指令的指標(biāo);該方

8、法能夠在行走過程中一步實(shí)現(xiàn)任意的足跡切換，不需要任何的預(yù)觀時(shí)間，滿足了實(shí)時(shí)迅速改變足跡的指標(biāo);本文在實(shí)體機(jī)器人Nao上實(shí)現(xiàn)了步行周期為0.18[s]的高頻行走，帶來速度質(zhì)的提高，響應(yīng)控制命令的最大延遲僅為0.18[s]，最大前進(jìn)速度達(dá)0.33[m/s]，滿足了最短時(shí)間到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的機(jī)動性指標(biāo)。
　　 第二，慣有的對彈性關(guān)節(jié)的前饋補(bǔ)償方法是經(jīng)驗(yàn)式的，本文提出了基于拉格朗日方程的理論方法并使用倒立擺模型對其進(jìn)行在線的計(jì)算，同時(shí)該方法利

9、用多種技術(shù)對其進(jìn)行了優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)了在線計(jì)算。此外，該方法還引申出一種計(jì)算關(guān)節(jié)彈性系數(shù)的方法。
　　 第三，為NAO機(jī)器人設(shè)計(jì)了兩套反饋策略組合，分別應(yīng)用于平地和不平地面的行走。在平地上機(jī)器人能夠穩(wěn)定的進(jìn)行高頻行走;在不平地面上，機(jī)器人能夠在充滿障礙物的地面和不穩(wěn)定斜坡上行走，實(shí)現(xiàn)了高端機(jī)器人才有的在未建模的不平地面上的行走能力。
　　 第四，提出了一種全新的物理模型，利用角動量定理和達(dá)朗貝爾原則對該模型進(jìn)行了詳細(xì)的推導(dǎo)