仿人機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與姿態(tài)控制方法.pdf

1、仿人機(jī)器人是機(jī)器人領(lǐng)域研究的長期熱點(diǎn)，也是人類科技發(fā)展的長遠(yuǎn)愿景，其發(fā)展水平代表了目前機(jī)器人學(xué)界的尖端技術(shù)和探索前沿。仿人機(jī)器人具有與人類相似的軀干結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)能力，能夠在人類的工作環(huán)境中替代人類進(jìn)行工作，將人類從體力勞動(dòng)、機(jī)械重復(fù)作業(yè)等低級(jí)勞動(dòng)以及高危、高風(fēng)險(xiǎn)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?jí)智慧活動(dòng)，促進(jìn)生產(chǎn)力的合理配置和社會(huì)發(fā)展?？梢灶A(yù)見在未來相當(dāng)長時(shí)間里，機(jī)器人技術(shù)，特別是仿人機(jī)器人

2、技術(shù)，將對(duì)社會(huì)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(yùn)動(dòng)能力和快速作業(yè)能力為目標(biāo)，設(shè)計(jì)研制了大型仿人機(jī)器人Kong-Ⅱ的運(yùn)動(dòng)控制總線，提出了基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)國際標(biāo)準(zhǔn)EPA的主從式總線架構(gòu)，解決了分布式運(yùn)動(dòng)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(jì)研制了能夠穩(wěn)定、可靠的支持仿人機(jī)器人實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定步行與快速作業(yè)的仿人機(jī)器人控制軟件EvolvingMind，采用

3、多層次設(shè)計(jì)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(hù)難度。
　　3.分析了仿人機(jī)器人步行運(yùn)動(dòng)過程中由于模型誤差與環(huán)境擾動(dòng)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(jī)器人擺動(dòng)腿在遭遇地面過大沖擊力時(shí)保持柔性;提出基于無源控制理論的擺動(dòng)腿末端位姿調(diào)整方法，通過控制來自地面的沖擊力對(duì)機(jī)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(dòng)量優(yōu)化方法，使機(jī)器人在步行過程中角動(dòng)量最優(yōu)，減少由于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的姿態(tài)偏轉(zhuǎn)。
　　4.基于仿人機(jī)器人快速作業(yè)過程中作業(yè)臂對(duì)機(jī)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(jì)獨(dú)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(dòng)量最優(yōu)化方法的機(jī)器人下身運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，使機(jī)器人在站立條件約束下通過下肢運(yùn)動(dòng)抵消由于手臂作業(yè)

5、運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的角動(dòng)量，避免機(jī)器人由于手臂快速運(yùn)動(dòng)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(jī)器人樣機(jī)上實(shí)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颉Ｋ兄频姆氯藱C(jī)器人系統(tǒng)創(chuàng)造了雙機(jī)器人對(duì)打114回合的紀(jì)錄，單機(jī)器人與人類選手進(jìn)行乒乓球?qū)Υ虻淖铋L連續(xù)回合數(shù)達(dá)到144回合。本文的設(shè)計(jì)方案和算法經(jīng)過了機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用的檢驗(yàn)，驗(yàn)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(duì)本文的內(nèi)容進(jìn)行了