本文關(guān)鍵詞：仿人機(jī)器人高效步行模式生成與高穩(wěn)定動(dòng)態(tài)行走控制方法研究　出處：《中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2017年博士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

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【摘要】：研究開(kāi)發(fā)仿人機(jī)器人的最終目的是讓其能夠像人類(lèi)一樣在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中活動(dòng)與工作,而高效的步行模式與高穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)行走控制是仿人機(jī)器人在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中活動(dòng)與工作的最基本要求與前提,且也是仿人機(jī)器人研究領(lǐng)域的難點(diǎn)與熱點(diǎn)。目前得益于硬件技術(shù)的飛速發(fā)展,使得各種高效復(fù)雜的控制算法以及優(yōu)化算法得以應(yīng)用于機(jī)器人上,來(lái)優(yōu)化與改進(jìn)機(jī)器人的綜合性能,進(jìn)而讓仿人機(jī)器人能夠更加高效穩(wěn)定可靠的動(dòng)態(tài)平衡行走。在美國(guó)國(guó)防部高級(jí)計(jì)劃研究局DARPA舉辦的世界機(jī)器人挑戰(zhàn)賽DRC的背景下,且在調(diào)研總結(jié)國(guó)內(nèi)外仿人機(jī)器人研究狀況的基礎(chǔ)之上,本文著重圍繞仿人機(jī)器人的步行模式規(guī)劃以及穩(wěn)定動(dòng)態(tài)平衡行走控制方面展開(kāi)深入研究,其主要研究?jī)?nèi)容與創(chuàng)新點(diǎn)如下:1.提出了基于人類(lèi)行走特征的高效雙足步行模式生成方法。首先,以人類(lèi)步行運(yùn)動(dòng)模式為參照,利用NDI高速光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)捕獲了人類(lèi)步態(tài)數(shù)據(jù),分析了人類(lèi)步態(tài)的重要性能特征,提取了與雙足步行運(yùn)動(dòng)重要性能相關(guān)的關(guān)鍵步行參數(shù)。構(gòu)建了一種基于關(guān)鍵步行參數(shù)的仿人雙足步行運(yùn)動(dòng)模式綜合算法,來(lái)為仿人機(jī)器人生成完整的步行模式(啟動(dòng)步,循環(huán)步,停止步)。然后,構(gòu)建了一種仿人步行運(yùn)動(dòng)模式參數(shù)優(yōu)化算法來(lái)提高雙足機(jī)器人的能效性,該算法分析與定義了有效穩(wěn)定區(qū)域即有效零力矩點(diǎn)變化區(qū)域(AZR),推導(dǎo)出了一種雙足機(jī)器人步行運(yùn)動(dòng)模式可行性與能效性的估算方法。最后,通過(guò)仿真與步行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的有效性,該方法有效的提高了仿人機(jī)器人步行的能效性且一定程度上解決了仿人機(jī)器人單質(zhì)心模型不精確引起的實(shí)際步態(tài)誤差問(wèn)題。2.提出了基于最優(yōu)可變零力矩點(diǎn)區(qū)域(OAZR)與三維線性倒立擺模型(3D-LIPM)的雙足步行模式生成方法。在綜合分析固定零力矩點(diǎn)與自然零力矩點(diǎn)(X軸方向可變即仿人機(jī)器人前進(jìn)方向可變)的基礎(chǔ)上,發(fā)現(xiàn)了零力矩點(diǎn)沿Y軸方向(即仿人機(jī)器人側(cè)擺方向)變化對(duì)雙足行走能效與穩(wěn)定的影響特性,進(jìn)而得出并定義了最優(yōu)可變零力矩點(diǎn)區(qū)域(OAZR)�；�3D-LIPM,充分利用OAZR構(gòu)建了一種兼顧能效與穩(wěn)定的在線步行模式生成方法,其由步行模式綜合算法與步行模式參數(shù)優(yōu)化算法所組成,來(lái)為仿人機(jī)器人在不同地形上行走生成相應(yīng)的綜合性能最優(yōu)的步行模式。最后,通過(guò)仿真與步行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該雙足步行模式生成方法的有效性。3.開(kāi)展了基于力/力矩反饋的動(dòng)態(tài)平衡行走控制方法研究。構(gòu)建了一種基于仿人機(jī)器人踝關(guān)節(jié)處力與力矩反饋的穩(wěn)定動(dòng)態(tài)平衡行走控制策略,其主要由四個(gè)控制器所組成,分別是阻尼控制器、位姿與零力矩點(diǎn)補(bǔ)償控制器、著地姿態(tài)控制器以及著地位置控制器。其中,阻尼控制器是基于一種簡(jiǎn)單的帶有柔順關(guān)節(jié)的倒立擺模型設(shè)計(jì)的,用于提高系統(tǒng)的阻尼性能。位姿與零力矩點(diǎn)補(bǔ)償控制器通過(guò)期望零力矩點(diǎn)與實(shí)際零力矩點(diǎn)間的偏差以及雙足相對(duì)位姿偏差來(lái)計(jì)算出合適的各關(guān)節(jié)角度補(bǔ)償量,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)期望的零力矩點(diǎn)軌跡與雙足運(yùn)動(dòng)軌跡的跟蹤。著地姿態(tài)控制器是基于踝關(guān)節(jié)處的力矩反饋實(shí)現(xiàn)的,用于擺動(dòng)腳無(wú)阻礙平滑快速的著地。著地位置控制器是用于調(diào)整修改擺動(dòng)腳在垂直與水平平面的位置來(lái)解決擺動(dòng)腳非期望觸地引起的瞬間沖擊力問(wèn)題,進(jìn)而提高仿人雙足機(jī)器人行走的穩(wěn)定性與可靠性。4.提出了基于擴(kuò)展時(shí)域被動(dòng)的擺動(dòng)腳軟著陸控制方法。首先,考慮到擺動(dòng)腳著地時(shí)的碰撞沖擊力與擺動(dòng)腳的著地速度有關(guān),為了避免或削弱X軸方向即仿人機(jī)器人前進(jìn)方向上的觸碰沖擊力,合適的擺動(dòng)腳軌跡應(yīng)該預(yù)先被規(guī)劃。然后,考慮到擺動(dòng)腳著地誤差的存在,通過(guò)六維力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)擺動(dòng)腳的力/力矩信息,利用具有導(dǎo)納因果關(guān)系的擴(kuò)展時(shí)域被動(dòng)控制方法實(shí)時(shí)在線輕微修正擺動(dòng)腳與質(zhì)心位置來(lái)抑制或抵消擺動(dòng)腳著地瞬間的沖擊力,并通過(guò)斜坡路面行走與輕度不平整路面行走實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了軟著陸控制策略的有效性。
[Abstract]:The ultimate goal of research and development of humanoid robot is to enable the same activities in the real environment and work like a human, and efficient walking mode and high stable dynamic walking control is the most basic requirements of activities in the real environment and the work of the humanoid robot and the premise, and is also the focus and difficulty of humanoid robot research field. At present, thanks to the rapid development of hardware technology, all kinds of efficient and complex control algorithms and optimization algorithms can be applied to robots, to optimize and improve the comprehensive performance of robots, and to make humanoid robots more efficient, stable and reliable in dynamic balancing. The background held in the DARPA DARPA world robot challenge DRC, and on the basis of summarizing the domestic and foreign research status in the research of humanoid robot, this paper focuses on the humanoid robot walking mode planning and stable dynamic equilibrium running control aspects of in-depth research, the main research contents and innovations as follows: 1. the characteristics of human walking, biped walking pattern generation method based on. First, taking human walking mode as a reference, human gait data were captured by NDI high-speed optical motion capture system. The important performance characteristics of human gait were analyzed, and the key walking parameters related to the important performance of biped walking were extracted. A synthetic biped walking mode synthesis algorithm based on key walking parameters is built to generate a complete walking mode for human like robots (start step, loop step, stop step). Then, constructed a humanoid walking motion model parameters optimization algorithm to improve the efficiency of the biped robot, and analysis of the definition of effective stable region that is the effective area of the zero moment point change algorithm (AZR), and derives a walking motion mode efficiency and feasibility of the biped robot estimation method. Finally, the effectiveness of the proposed method is verified by simulation and walking experiments. The method effectively improves the energy efficiency of humanoid robot's walking and solves the actual gait error caused by the inaccuracy of the humanoid robot's heart model. 2. the biped walking mode generation method based on the optimal variable zero moment point area (OAZR) and the three-dimensional linear inverted pendulum model (3D-LIPM) is proposed. In the comprehensive analysis of fixed zero moment point and zero moment point (X axis variable that humanoid robot direction variable) on the basis of the discovery of the zero moment point along the Y axis (i.e., humanoid robot side swing direction) of the biped walking efficiency and stability characteristics, and proposes the definition and the optimal variable ZMP region (OAZR). Based on 3D-LIPM, make full use of OAZR to build an online account efficiency and stability of the walking pattern generation method, the walking pattern synthesis algorithm and parameter optimization algorithm composed of walking pattern, for humanoid robot walking pattern generation corresponding optimal comprehensive performance in different terrain. Finally, the validity of the biped walking pattern generation method is verified by simulation and walking experiment. 3. the dynamic equilibrium walking control method based on force / torque feedback is developed. To construct a feedback ankle humanoid robot force and torque balance control strategy based on dynamic stability of walking, which is mainly composed of four controllers, namely, damping controller controller, pose and zero moment point compensation with attitude controller and position controller. The damping controller is designed based on a simple inverted pendulum with flexible joints, which is used to improve the damping performance of the system. The position and zero torque point compensation controller calculates the appropriate joint angle compensation amount through the deviation between the desired zero torque point and the actual zero torque point and the biped relative pose error, and then achieves the desired zero torque point trajectory and biped trajectory tracking. The ground attitude controller is based on the torque feedback at the ankle joint, which is used for the swinging foot without hindering the smooth and fast ground. The ground position controller is used to adjust the position of the modified swing foot in the vertical and horizontal plane to solve the instantaneous impact force caused by the undesired touchdown of the swing foot, so as to improve the walking stability and reliability of the biped robot. 4. a soft landing control method based on extended time domain passive wobble foot is proposed. First of all, considering the impact force of swing foot on the ground is related to the ground speed of swing foot. In order to avoid or weaken the X axis direction, namely the impact impact force of humanoid robot in the forward direction, the appropriate swing foot trajectory should be pre planned. Then, considering the swing foot on the errors of moment information through the real-time detection of the swinging leg six axis force sensor using force / time spread with admittance causality passive control methods of real-time online minor amendment swing foot and centroid position to restrain or offset the swing foot with an instant impact force, and the effectiveness of soft landing the control strategy is verified by the sloping surface and mild uneven road walking experiment.
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TP242

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本文編號(hào)：1340250