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仿人机器人控制系统设计与姿态控制方法

孙逸超  
【摘要】:仿人机器人是机器人领域研究的长期热点,也是人类科技发展的长远愿景,其发展水平代表了目前机器人学界的尖端技术和探索前沿。仿人机器人具有与人类相似的躯干结构与运动能力,能够在人类的工作环境中替代人类进行工作,将人类从体力劳动、机械重复作业等低级劳动以及高危、高风险行业中解放出来,提高生产力水平和工作效率,提升人类的生活质量,使人类能够专注于高级智慧活动,促进生产力的合理配置和社会发展。可以预见在未来相当长时间里,机器人技术,特别是仿人机器人技术,将对社会变革与发展产生重要影响作用。本文的研究内容主要包括:1.以具备快速步行运动能力和快速作业能力为目标,设计研制了大型仿人机器人Kong-II的运动控制总线,提出了基于实时以太网国际标准EPA的主从式总线架构,解决了分布式运动控制系统由于数据总线带宽约束导致的控制周期过长的问题。2.设计研制了能够稳定、可靠的支持仿人机器人实现稳定步行与快速作业的仿人机器人控制软件EvolvingMind,采用多层次设计和模块化架构,减少了软件与硬件、不同软件模块间的逻辑耦合,提升了控制软件整体的可靠性,降低了研发和维护难度。3.分析了仿人机器人步行运动过程中由于模型误差与环境扰动引发的姿态与平衡控制问题,提出基于阻抗控制理论的步行姿态调整方法,通过引入虚拟弹簧阻尼系统,使机器人摆动腿在遭遇地面过大冲击力时保持柔性;提出基于无源控制理论的摆动腿末端位姿调整方法,通过控制来自地面的冲击力对机器人的能量输入,保证系统的无源性和稳定性;提出基于最小二乘方法的竖直角动量优化方法,使机器人在步行过程中角动量最优,减少由于机器人运动产生的姿态偏转。4.基于仿人机器人快速作业过程中作业臂对机体的反作用力冲击过大的问题,提出基于阻抗控制理论的站立姿态调整方法,通过分别为双足设计独立的虚拟弹簧阻尼系统,使双足在受到地面作用力过程中模拟弹簧特性,吸收冲击,保证姿态稳定;提出基于角动量最优化方法的机器人下身运动规划方法,使机器人在站立条件约束下通过下肢运动抵消由于手臂作业运动产生的角动量,避免机器人由于手臂快速运动产生旋转位移。基于以上研究内容的综合应用,本文在自行研制的仿人机器人样机上实现了1.07km/h的稳定快速行走与持续的自主乒乓球对打。所研制的仿人机器人系统创造了双机器人对打114回合的纪录,单机器人与人类选手进行乒乓球对打的最长连续回合数达到144回合。本文的设计方案和算法经过了机器人实际应用的检验,验证了所述内容的有效性、可靠性和稳定性。文章的最后对本文的内容进行了总结,并对今后的研究方向进行了展望。


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