仿人双足机器人平衡性关键技术的研究

博士学位论文仿人双足机器人平衡性关键技术的研究RESEARCHONKEYTECHNOLOGIESOFBIPEDHUMANOIDROBOTSTABILITY蔚伟哈尔滨工业大学2012年3月国内图书分类号：TP241.3学校代码：10213国际图书分类号：681.5密级：公开工学博士学位论文仿人双足机器人平衡性关键技术的研究博士研究生：蔚伟导师：王祖温教授申请学位：工学博士学科：机械电子工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2012年3月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP241.3U.D.C:681.5DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONKEYTECHNOLOGIESOFBIPEDHUMANOIDROBOTSTABILITYCandidate：YuWeiSupervisor：Prof.WangZuwenAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MechatronicsEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：Mar,2012Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要-I-摘要半个世纪以来仿人双足机器人一直是机器人领域的研究热点之一，其与工业机器人、轮式移动机器人等相比具有三个基本特征：能在人们所处的现实环境中工作；能使用人们所用的工具；具有人的形状。但与上述机器人等相比，需要考虑的一个重要问题就是平衡问题，即双足机器人不会摔倒能保持站立状态。双足机器人在直立、行走或作业过程中经常受到外力干扰，研究双足机器人的平衡问题对于其能够完成作业、与人共处以及防止机器人与人的损伤等都具有现实意义。本课题通过理论分析和实验对仿人双足机器人的平衡性问题关键技术展开研究，主要内容包括平衡性理论基础、步态规划、平衡恢复和关节力矩约束条件分析等。首先仿人双足建立了机器人机构模型，基于简化模型建立了仿人双足机器人的运动学和动力学，从零力矩点(ZMP，ZeroMomentPoint)的定义、内涵、变形等方面进行分析，阐述ZMP与支撑多边形、压力中心点(COP，CenterofPressure)、脚旋转指示器(FRI，FootRotationIndicator)、虚拟ZMP(FZMP，FictitiousZMP)、虚拟水平面(VHP，VirtualHorizontalPlane)之间的关系，并推导质心雅可比和在外力干扰下ZMP计算公式。要实现双足稳定，仿人双足机器人双脚与地面之间必须同时满足四个约束条件（重力约束、摩擦力约束、COP约束和脚尖——脚后跟约束）。仿人双足机器人在受到外力干扰后，身体会产生倾角和角速度，通过分析这些约束条件随倾角和角速度的变化关系，进而分析对关节控制力矩作用域的影响，得到COP约束在四个约束条件中占有主导地位，满足约束条件存在控制盲区。昀后分析了摩擦力系数和脚长/身高比对平衡恢复关节力矩的影响，可为仿人双足机器人的机构设计提供理论指导。针对仿人双足机器人在工作环境中经常受到外力干扰而失去平衡的问题，分别分析和解决在直立、行走两种状态下的平衡恢复问题。在直立状态下有四种基本平衡恢复策略（踝关节、髋关节、迈步和抓拖策略），将平衡恢复问题分解为平衡恢复策略选择和平衡恢复实现两个方面。分别从实时性和关节控制力矩约束两方面提出了基于初始相平面和基于零力矩点椭圆操作区域(ZMPME，ZMPManipulabilityEllipsoid)的平衡恢复策略选择判据。机器人在受到强外力瞬间作用下，必须通过迈步策略实现平衡恢复，此时需要解决何时迈步、迈向何方两个问题。基于分析方法把机器人迈步策略分级为四个阶段，并考虑了质心垂直下降对抑制干扰的作用，仿真及实验结果表明机器人在强外力作用后，通过迈步平衡恢哈尔滨工业大学工学博士学位论文-II-复策略ZMP回到支撑区域内，仿人双足机器人回到直立姿态。对于在仿人双足机器人在行走过程中的抗干扰问题，首先基于预观控制实现了双足机器人快速步行离线步态规划算法。对仿人双足机器人在快速步行过程中，单双脚支撑期交替频率加快，提出了侧向质心摆动幅度递减。仿人双足机器人受到外力干扰后，经过分析提出了在线主动调整落脚点位置来补偿ZMP波动实现平衡恢复。同时通过理论计算与仿真分析发现摆动腿的加速和减速运动会使仿人双足机器人行走过程中产生侧偏，提出了利用仿人双足机器人腰关节偏摆运动来补偿其侧偏问题，使步行速度达到2.88km/h。昀后，本文在ROBONOVA-I型机器人本体上通过增加传感器和设计控制板，建立了双足平衡性恢复实验验证平台，对仿人双足机器人在直立状态下和步行状态下的平衡性恢复问题进行了实验验证分析。根据实验结果及所测的ZMP数据证明了平衡恢复策略的有效性。关键词：双足机器人；双足稳定性；平衡恢复；步态规划Abstract-III-AbstractForhalfacentury,researchonbipedhumanoidrobotsalwaysisanactivefieldinrobotics.Comparedwithindustrialrobots,wheeledmobilerobotsandet.al,humanoidrobotshavethreebasiccharacteristics,suchasworkinginhumanrealisticenvironment,usingthetoolsusedbythepeople,andahumanshape.However,differentfromaboverobots,animportantissuetoconsideristhebalancethatthebipedrobotdoesnotfalltomaintainsupportstate.Thebipedrobotsareoftensubjectedtoexternaldisterbancewhilestandingupright,walkingorworking.Thereisveryimportanttheoreticalsignificianceandpracticalvalueinstudyingthebalanceofthebipedrobottocompletemanipulation,tointerfacewiththehumanworldandtopreventdamagetoitselfandhuman.Thisthesismainlystudiesthekeytechnologyinstabilityofbipedhumanoidrobotthroughtheroticalanalysisandexperimentsimulationresearch,andthemaincontentsincludebasictheoryofbalance,gaitsynthesis,balancerecovery,jointstorqueconstraints,andetal.Firstofall,bipedhumanoidrobot’smechanismmodelisestabilished,andthekinematicandthedynamaticsofbipedrobotarebuildingbasedonasimplifiedmodel.TheZeroMomentPoint(ZMP)isdiscussedfromitsdefinition,concept,variants,derivationandapplicationtoexpoundtherelationshipbetweenZMPandCenterofPressure(COP),FootRotationIndicator(FRI),FictitiousZMP(FZMP),andVirtualHorizontalPlane(VHP).Furthermore,theCenterofMass(COM)jacobianmatrixexpressionandZMPcalculationwithexternaldisturbancearederivated.Toachievebipedstability,therobot’sfeetandthegroundmustsimultaneouslymeetthefourconstraints,suchasthegravityconstraint,thefrictionconstraint,COPconstraintandthetip-overconstraint.Thebipedrobotissubjectedtoasuddenexternalforcetoresultintiltangleandangularvelocityoftrunk.Throughanalysisoftheseconstraintswiththerelationshipbetweenangleandangularvelocity,theeffectsoftheseconstraintsimposedontheboundstothejointcontroltorquearefurtherstudied.SimulationresultsshowthatthecontrolboundsaremostlydeterminedbytheCOPconstraint,andtheinvalidregionexiststhatnomatterhowmuchcontroltorquecannotmeettheconstraints.Lastly,thefrictioncoefficientandfootlength/heightratioaffectthejointtorquestobalancerecovery,whichcanprovidetheoreticalguidanceforrobotmechanismdesign.Bipedhumanoidrobotsareoftensubjectedtoexternaldisturbancetolosebalanceintheworkenvironment.Balancerecoveryisrespectivelyanalyzedandsolvedwhenthebipedrobotisinanuprightorwalkingpose.Whilestandingupright,therearefour哈尔滨工业大学工学博士学位论文-IV-basicmotionpatterns,suchasanklestrategy,hipstrategy,stepstrategyandtouch&graspstrategy,andtworelatedproblemstobalancerecoveryarestrategiesselectionandbalancerealization.Respectively,twobalancerecoverystrategyselectioncriteriaareproposedbasedontheinitialphaseplane,andZMPManipulabilityEllipsoid(ZMPME)fromreal-timeconstraintsandjointtorquecontrol.Whenasuddenstrongexternalforcesubjectedtobipedhumanoidrobot,takingastepisneededtorecoverfromapush.Forstepstrategy,twoquestionsneedtoanswer:whenandwheretostepunderaforce.