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1、国防科学技术大学 硕士学位论文 仿人机器人运动规划与稳定控制方法研究 姓名：陈阳祯 申请学位级别：硕士 专业：控制科学与工程 指导教师：马宏绪 2010-11国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 vi 页 摘 要 仿人机器人由于其独特的步行运动方式，一直是智能机器人领域中最活跃的 研究热点之一。提高其运动能力与环境适应能力是仿人机器人实际应用的前提。 本论文以仿人机器人参加乒乓球比赛为任务背景，主要进行仿人机器人步态优化 规划与稳定控制问题的研究。 首先介绍了仿人机器人平台“KDW-5”的机械结构、控制系统与传感器系统， 基于改进的 D-H坐标法建立了机器人运动学模型，基于 Lagrang
2、e 方程建立了单脚 支撑期的动力学模型。 本文给出了利用足底六维力/力矩传感器来检测仿人机器人 ZMP 位置与支撑 状态的方法，然后根据 ZMP稳定性判据利用这些信息判定机器人状态的稳定性。 通过具体分析机器人完整双足步行过程，将其分为起步、周期行走、收步三 个阶段。不同阶段的初始状态、步行参数和终止状态不同，因此采用不同的方法 进行步态规划。最后通过实验验证了该算法的有效性。 失稳状态下的仿人机器人可以通过其主动关节的运动恢复稳定。本文提出了 机器人稳定可控性的概念，并给出了判定方法。最后将其应用于有外力干扰时机 器人的稳定控制问题，给出了通过控制迈步步幅恢复稳定的方法。通过仿真验证 了该算
3、法的有效性。 关键词：仿人机器人 ZMP稳定性判据 力/力矩传感器 分段步态规划 稳定可 控性 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 vii 页 ABSTRACT Humanoid robot is always one of the most active fields in intelligent robotics due to its unique walking motion pattern. The precondition for the use of the humanoid robot in practice is to improve the ability of the
4、 humanoid robot to move and adapt to the environment. This paper mainly focuses on the research into gait optimizing planning and stability control of the humanoid robot which is supposed to play pingpong ball. Firstly, the mechanical structure, control system and sensor system of the humanoid robot
5、 “KDW-5” are introduced. The kinematics model of the robot is built based on the improved Denavit-Hartenberg(D-H) coordinates representation. The dynamic model of the robot in the single support phase is built based on the Lagrange function. Then a feasible method is proposed to detect real ZMP and
6、the phase of supporting using the force/torque sensors. Then the data are used to judge the stability of the robot based on the ZMP stability criterion. The whole walking phase of the robot is divided into three phases: the start walking phase, the cycle walking phase and the stop walking phase in t
7、his paper because that the initial states, walking parameters and final states of the robot are different during these different phases. The gaits of these three phases are planned using different planning methods. The validity of this algorithm was proved by the experiment. It is possible that the
8、robot can recover to stable state by using its actuated joints while it is unstable. The definition of controllable stability of the robot is proposed in this paper. A method to judge the controllable stability is also proposed. Finally the method is used in the stability control of the robot which
9、is disturbed by external force. The robot can recover to stable state by changing the step length. The validity of this algorithm was proved by the simulation. Key Words：Humanoid Robot；ZMP Stability Criterion； Force/Torque Sensor； Gait Planning Piecewise； Controllable Stability 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第
10、iii 页 表 目 录 表 2.1 “KDW-5”几何参数. 10 表 2.2 下肢关节范围、角速度与力矩设计指标 . 10 表 3.1 力/力矩传感器数据包格式 . 27 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 iv 页 图 目 录 图 1.1 国外具有代表性的仿人机器人 . 3 图 1.2 国内具有代表性的仿人机器人 . 4 图 2.1 机器人的机构示意图 . 9 图 2.2 基于网络层次的仿人机器人控制系统结构图 . 12 图 2.3 分布式运动控制系统安装 . 12 图 2.4 足底力/力矩传感器及 CAN接口示意图. 13 图 2.5 硬件系统结构组成与安装位置 . 14 图 2.
11、6 仿人机器人参考坐标系 . 14 图 2.7 仿人机器人各关节家谱树结构 . 15 图 2.8 各关节轴矢量、相对位置矢量和局部坐标系原点图 . 16 图 2.9 数值法求逆运动学解的基本流程 . 17 图 3.1 机器人行走过程中的支撑多边形 . 20 图 3.2 CMP与 ZMP的关系 45 . 21 图 3.3 力/力矩传感器安装示意 . 22 图 3.4 双脚支撑期 ZMP测量示意. 23 图 3.5 单脚支撑期稳定区域 . 24 图 3.6 双脚支撑期稳定区域 . 25 图 3.7 基于力/力矩传感器的稳定性检测程序流程 . 28 图 3.8 实际检测到的 ZMP与预期 ZMP对比分析图. 29 图 4.1 常用的动力学模型 .
