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《清华大学》 2004年
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仿人机器人行走误差自调整模糊控制研究

赵建东  
【摘要】:仿人机器人是最具代表性的先进智能机器人,其技术是当今机器人领域的研究前沿和热点方向之一。论文综述了仿人机器人稳定行走相关理论和技术的研究进展,针对关节非线性伺服控制、行走稳定性、摆动脚落地碰撞等关键问题,开展了“仿人机器人行走误差自调整模糊控制”研究,并基于仿人机器人THBIP-I样机平台进行了技术研究和验证。论文完成的主要工作和贡献有: 分析连杆传动结构对踝关节伺服性能的非线性影响,基于传动比变化和关节位置误差,提出了仿人机器人关节自调整模糊控制器,并通过踝关节实验,证明控制器具有良好的伺服动态控制性能,满足踝关节变负载动力学特性,有效解决了仿人稳定行走控制中首要的关节位置伺服问题。 建立仿人机器人期望ZMP(零力矩点)的广义关节坐标表达式,以及地面反力的六维力传感器测量系统,并简化了实际ZMP计算模型。分析关节运动对ZMP的贡献,以及ZMP误差和机器人翻转力矩的形成原因,提出了基于ZMP误差的踝关节补偿控制策略。该策略根据ZMP误差及其误差变化,实时补偿支撑踝关节自由度的运动角度。样机左/右支撑踝关节的实验表明,ZMP误差和实际ZMP振幅减小,样机行走稳定性提高。 建立仿人机器人摆动脚落地与地面碰撞时的动力学方程,分析摆动脚落地时的运动误差,以及由其产生碰撞的原因。并基于调整机器人摆动脚运动误差以减小步行碰撞力的减振思路,提出了摆动脚落地补偿控制策略,在线分级实时补偿摆动腿的髋前摆、膝前摆和踝前摆的运动角度。左/右摆动腿的控制器实验证明,摆动脚距地面高度在落地前的一段时间内被提高,步距增大,实际落地时刻趋近期望时刻,摆动脚与地面间的碰撞冲击力减小且变化平缓,样机行走振动减小。 按照智能控制的“精度递增伴随智能递减”原则,设计出仿人机器人CAN总线递阶分布式控制系统,由负责全局管理和任务规划的组织层、分配和协调作业的协调层、控制过程和采集传感信息的执行层构成,其中自主开发的协调层和执行层控制系统已经控制样机实现基本行走功能。
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