仿人機器人控制系統(tǒng)設(shè)計與姿態(tài)控制方法.pdf

1、仿人機器人是機器人領(lǐng)域研究的長期熱點，也是人類科技發(fā)展的長遠愿景，其發(fā)展水平代表了目前機器人學界的尖端技術(shù)和探索前沿。仿人機器人具有與人類相似的軀干結(jié)構(gòu)與運動能力，能夠在人類的工作環(huán)境中替代人類進行工作，將人類從體力勞動、機械重復(fù)作業(yè)等低級勞動以及高危、高風險行業(yè)中解放出來，提高生產(chǎn)力水平和工作效率，提升人類的生活質(zhì)量，使人類能夠?qū)Ｗ⒂诟呒壷腔刍顒?，促進生產(chǎn)力的合理配置和社會發(fā)展?？梢灶A(yù)見在未來相當長時間里，機器人技術(shù)，特別是仿人機器人

2、技術(shù)，將對社會變革與發(fā)展產(chǎn)生重要影響作用。
　　本文的研究內(nèi)容主要包括:
　　1.以具備快速步行運動能力和快速作業(yè)能力為目標，設(shè)計研制了大型仿人機器人Kong-Ⅱ的運動控制總線，提出了基于實時以太網(wǎng)國際標準EPA的主從式總線架構(gòu)，解決了分布式運動控制系統(tǒng)由于數(shù)據(jù)總線帶寬約束導(dǎo)致的控制周期過長的問題。
　　2.設(shè)計研制了能夠穩(wěn)定、可靠的支持仿人機器人實現(xiàn)穩(wěn)定步行與快速作業(yè)的仿人機器人控制軟件EvolvingMind，采用

3、多層次設(shè)計和模塊化架構(gòu)，減少了軟件與硬件、不同軟件模塊間的邏輯耦合，提升了控制軟件整體的可靠性，降低了研發(fā)和維護難度。
　　3.分析了仿人機器人步行運動過程中由于模型誤差與環(huán)境擾動引發(fā)的姿態(tài)與平衡控制問題，提出基于阻抗控制理論的步行姿態(tài)調(diào)整方法，通過引入虛擬彈簧阻尼系統(tǒng)，使機器人擺動腿在遭遇地面過大沖擊力時保持柔性;提出基于無源控制理論的擺動腿末端位姿調(diào)整方法，通過控制來自地面的沖擊力對機器人的能量輸入，保證系統(tǒng)的無源性和穩(wěn)定性;

4、提出基于最小二乘方法的豎直角動量優(yōu)化方法，使機器人在步行過程中角動量最優(yōu)，減少由于機器人運動產(chǎn)生的姿態(tài)偏轉(zhuǎn)。
　　4.基于仿人機器人快速作業(yè)過程中作業(yè)臂對機體的反作用力沖擊過大的問題，提出基于阻抗控制理論的站立姿態(tài)調(diào)整方法，通過分別為雙足設(shè)計獨立的虛擬彈簧阻尼系統(tǒng)，使雙足在受到地面作用力過程中模擬彈簧特性，吸收沖擊，保證姿態(tài)穩(wěn)定;提出基于角動量最優(yōu)化方法的機器人下身運動規(guī)劃方法，使機器人在站立條件約束下通過下肢運動抵消由于手臂作業(yè)

5、運動產(chǎn)生的角動量，避免機器人由于手臂快速運動產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)位移。
　　基于以上研究內(nèi)容的綜合應(yīng)用，本文在自行研制的仿人機器人樣機上實現(xiàn)了1.07km/h的穩(wěn)定快速行走與持續(xù)的自主乒乓球?qū)Υ?。所研制的仿人機器人系統(tǒng)創(chuàng)造了雙機器人對打114回合的紀錄，單機器人與人類選手進行乒乓球?qū)Υ虻淖铋L連續(xù)回合數(shù)達到144回合。本文的設(shè)計方案和算法經(jīng)過了機器人實際應(yīng)用的檢驗，驗證了所述內(nèi)容的有效性、可靠性和穩(wěn)定性。
　　文章的最后對本文的內(nèi)容進行了