仿人双足机器人多地形步态规划和稳定控制方法研究控制科学与工程专业论文.docxVIP

摘要摘要 摘要 摘要 仿人双足机器人具有人类的形状并能像人一样活动，能在人所处的现实环 境中工作，并且能够使用人所用的工具，有关它的研究和发展代表了机器人研 究的顶尖水平。它集多学科交叉应用，代表了一个国家在机器人领域的最高成 就。稳定步行是仿人双足机器人在多任务地形的环境中作业的基础，也是仿人 机器人研究的难点和热点。本文以美国国防部举办的机器人挑战赛为背景，在 总结国内外研究成果的基础上，着重围绕仿人机器人多种地形的步态规划和稳 定控制方法展开研究。本文的主要研究内容和创新点在如下几个方面： 1．基于三质心模型的髋关节高度和姿态补偿步态生成方法：目前仿人机器 人所实现的步行方式与人类自然步态相比，在步态平滑自然性、单位移动距离 能耗以及步行频率和速度方面具有较大差距。以人体为参照，利用Vicon Nexus 运动捕捉系统搭建人体自然步行运动研究平台，通过捕捉人体各关节运动轨迹， 提取人类行走的特征数据，提出了基于三质心模型的髋关节高度和姿态补偿的 步态生成方法，该方法可以有效解决单质心模型不精确的问题，并通过地毯和 柏油路步行实验证明了该方法的有效性和稳健性。 2．仿人机器人连续障碍物跨越方法：首先提出仿人机器人的障碍物连续跨 越问题，定义了两种障碍物连续跨越类型一稀疏障碍物跨越和紧密障碍物跨越； 然后提出了连续障碍物跨越的可行性分析方法，使用腿轨迹规划调整与上半身 质心运动轨迹补偿的方法修正最终全身运动轨迹；最后，通过OpenHRP仿真平 台和XT实验平台分别开展两种障碍物连续跨越的实验，验证了该方法的有效 性和可行性。 3．仿人机器人通用斜面步行模式生成方法：提出了一种考虑仿人机器人腰 部姿态和低落地冲击的斜面步行模式生成方法一不对称倒立摆斜面步行模式生 成方法。首先提出了基于虚拟地面方法的机器人单质心模型的二维和三维运动 方程，获得了斜面连续直观的ZMP方程。然后分析了腰部姿态对斜面行走的影 响，提出并使用不对称倒立摆模型实现仿人机器人斜面稳定动态行走，该方法 可以有效解决落地冲击I廿-J题。最后使用OpenHRP模拟仿真实验和XT机器人平 台斜面动态行走实验验证了上述新方法的有效性和可行性。 4．仿人机器人两级稳定步行控制器：设计的稳定器由两级稳定器组成，前 级稳定器包含髋关节力矩补偿器、落地控制器和ZMP补偿控制器，其主要作用 是令机器人当前ZMP向目标ZMP移动，减小这两点之间的距离；后级稳定器 万方数据 摘要包含上半身躯体控制和落地位置修正控制器；其主要作用是当在机器人目标 摘要 包含上半身躯体控制和落地位置修正控制器；其主要作用是当在机器人目标 ZMP和当前ZMP点几乎重合的情况下仍有跌倒趋势时(上半身倾斜过大)，通过 突发式的调整上半身加速度重新规划目标ZMP以恢复机器人姿态并修正摆动 腿的着地位置。两级稳定步行控制器保证了仿人机器人在多种地面的稳定步行。 关键词：仿人双足机器人；运动学；动力学；三质心模型；多地形步态规划；稳 定控制 万方数据 AbstractABSTRACT Abstract ABSTRACT Humanoid biped robot has the shape of human and also the same activities like human，they Can work in people’S real environment，and can use the tools which are designed for human．The research and development about it represents the top level of the robot research．It combines multi—disciplinary-cross application，which represents a countlys highest achievement in the field of robot．Stable walking and gait generation are the foundation of multi-task of humanoid biped robots．，nley are also the difficulty and hotspot in the research of the humanoid robot．This dissertation does the work which aims to join in the robot challenge game hold by United States DARPA，and the work is based on the issue of summariz