仿人机器人全身协同的防滑步态规划与控制pptx.pptx

仿人机器人全身协同的防滑步态规划与控制经历了近半个世纪的发展,仿人机器人取得了巨大进步,具有广阔应用前景。行走稳定性是仿人机器人完成作业任务,走向实用化的重要前提。
足部与地面间的滑动影响仿人机器人行走稳定性,容易导致仿人机器人摔倒,造成重大损失。对于仿人机器人来说,旋转滑动和平移滑动同时发生,然而目前的防滑研究通常只针对其中一种滑动,并且往往难以兼顾拟人协调与防滑维稳步态。
为此,本文结合国家自然科学基金国际(地区)合作与交流项目“仿人机器人多模态运动与转换理论与方法”,开展仿人机器人全身协同的防滑步态规划与控制研究,通过全身协同运动,防止仿人机器人双足行走过程中的旋转与平移滑动,增强了仿人机器人的防滑能力,提高了仿人机器人的环境适应性。本文主要研究内容如下:首先,从仿生学角度出发,应用人体运动捕捉系统及地面反力/力矩测量系统采集人体运动数据,并对其进行分析,通过对比实验研究总结了人体自然步态及其防止旋转及平移滑动时步态的运动规律,为本文基于人体运动规律的仿人机器人全身协同防滑规划与控制提供了仿生依据。
结合人体防滑运动规律与仿人机器人动力学特性,提出了仿人机器人全身协同的防滑步态规划与控制总体方案。其次,在仿人机器人防滑运动规划方面,推导了线性倒立摆模型零力矩点(ZMP)与质心运动的关系,针对其模型不能反映机器人摆动腿的动力学特性等问题,提出了基于扩展的三质量模型的步态规划方法。
根据人体运动规律,设计了上下身旋转力矩互偿的轨迹规划方法。结合三质量模型、防止足部滑动约束以及ZMP稳定裕度等约束条件,生成了兼顾拟人与防滑步态的全身协同运动优化轨迹。
再次,在仿人机器人防滑控制方面,推导了仿人机器人基于三质量模型的平衡稳定动力学方程,分析了质心加速度增量与机器人ZMP增量间的定量关系,提出了基于加速度协同调整的防滑控制器设计方法。通过ZMP检测及滑动评价指数判定分层、定量地实现了自身状态调整,提高仿人机器人防止平移滑动能力。
采用了基于弹簧阻尼模型的稳定行走控制器,降低了仿人机器人足部落地时的冲击,提高仿人机器人复杂环境适应性。最后,通过在动力学仿真软件以及仿人机器人BHR-5上进行步行对比实验,对本文所提的基于扩展三质量模型的全身协同防滑步态规划方法、基于加速度协同调整的防滑控制方法以及基于弹簧阻尼模型的稳定行走控制器进行仿真与实验,验证了本文提出的防滑步态规划与控制方法的有效性。