仿人機(jī)器人上下樓梯行走穩(wěn)定性研究.pdf

1、仿人機(jī)器人的重要特征之一是雙足行走，多年來(lái)對(duì)仿人機(jī)器人的研究主要集中在實(shí)現(xiàn)平整地面上雙足穩(wěn)定行走，但是如何在復(fù)雜地面上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行走一直是仿人機(jī)器人研究中的瓶頸問(wèn)題。本文針對(duì)仿人機(jī)器人上下樓梯行走穩(wěn)定性問(wèn)題，開展了上下樓梯步態(tài)軌跡規(guī)劃、穩(wěn)定區(qū)域與穩(wěn)定裕量的計(jì)算、穩(wěn)定控制策略等關(guān)鍵技術(shù)的研究工作。論文研究的主要內(nèi)容如下：
　　 1、建立了仿人機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型?；诘芽栕鴺?biāo)系和廣義坐標(biāo)，建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，表達(dá)出仿人機(jī)器人在基坐

2、標(biāo)中的位姿；運(yùn)用拉格朗日方程進(jìn)行單、雙腿支撐期的動(dòng)力學(xué)建模，以確定步態(tài)特征以及步行機(jī)構(gòu)各個(gè)關(guān)節(jié)所需要的控制力矩，運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型為步態(tài)規(guī)劃和穩(wěn)定性控制奠定理論基礎(chǔ)。
　　 2、推導(dǎo)了仿人機(jī)器人上下樓梯運(yùn)動(dòng)軌跡。根據(jù)上下樓梯應(yīng)滿足的約束條件確定關(guān)鍵點(diǎn)，然后采用三次樣條函數(shù)插值關(guān)鍵點(diǎn)得出踝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡，并且通過(guò)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)得到其他關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡。
　　 3、研究了上下樓梯行走穩(wěn)定性問(wèn)題。首先引入了零力矩點(diǎn)(ZMP)穩(wěn)

3、定性理論，并對(duì)此進(jìn)行擴(kuò)充，提出了虛擬零力矩點(diǎn)(FZMP)概念。其次，由穩(wěn)定行走必須滿足地面反作用力位于穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)的條件，推導(dǎo)出仿人機(jī)器人在上樓梯過(guò)程中單、雙腿支撐期的穩(wěn)定區(qū)域面積和穩(wěn)定裕量。最后，提出運(yùn)用模糊控制算法快速產(chǎn)生地面反作用力位置的方法。
　　 4、提出了仿人機(jī)器人上下樓梯穩(wěn)定行走控制策略。該策略采用離線軌跡規(guī)劃與實(shí)時(shí)修改相結(jié)合的平衡控制方法，當(dāng)?shù)孛娣醋饔昧c(diǎn)在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，運(yùn)用ZMP控制策略，只需對(duì)關(guān)節(jié)角度參數(shù)進(jìn)行微調(diào)

4、修正，而不需要改變期望軌跡值；當(dāng)?shù)孛娣醋饔昧c(diǎn)在穩(wěn)定區(qū)域外，運(yùn)用FZMP控制策略，及時(shí)修改期望軌跡值，使機(jī)器人獲得新的支撐區(qū)域，恢復(fù)行走穩(wěn)定性。
　　 5、進(jìn)行了ADAMS與Matlab聯(lián)合仿真。采用ADAMS軟件進(jìn)行建模和動(dòng)力學(xué)仿真，提供機(jī)器人三維實(shí)體模型、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型以及動(dòng)畫仿真。采用控制系統(tǒng)專業(yè)軟件Matlab進(jìn)行機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提供控制關(guān)節(jié)目標(biāo)軌跡、穩(wěn)定控制算法并輸出驅(qū)動(dòng)力矩。通過(guò)ADAMS/Controls接