《一种准被动步行机器人的步行控制研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一种准被动步行机器人的步行控制研究（46页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、武汉科技大学硕士学位论文一种准被动步行机器人的步行控制研究姓名：曹赢申请学位级别：硕士专业：模式识别与智能系统指导教师：方康玲2010-11-15武汉科技大学 武汉科技大学 硕士学位论文 第 I 页 摘摘 要要 被动步行机器人是一种仅依靠自身机械结构并利用重力势能沿斜坡步行的机器人。在保持被动步行特征的条件下，引入简单的驱动装置提高步行性能的机器人，即为准被动步行机器人。与主动步行机器人相比，被动步行机器人的能量利用率高并且部分被动步行机器人的步态更加自然。但是，因为其横向摆动周期和摆动腿的摆动周期难于同步，所以被动步行机器人对环境的适应性和步行稳定性较差。针对这一问题，本文改进了一种在线控制
2、方法。该方法通过受迫 Van der Pol 方程和 PI 控制器计算倒立摆的目标轨道，利用倒立摆控制准被动步行机器人的横向摆动，使其与摆动腿的运动同步。 首先，本文改进了倒立摆目标轨道的幅度控制，从而提高了这种准被动行走机器人的稳定性、适应性和控制的精度。并且通过调整足部重心位置，实现了这种准被动步行机器人登坡。 其次，针对本文所研究的机器人，提出了一种步幅和步行速度的测量和控制方法。该方法利用机器人的髋关节角度传感器间接计算步幅和速度，并利用倒立摆实时控制步幅和速度。 再次，本文通过通过倒立摆的摆动幅度控制，实现了机器人的平地转弯。 最后，本文利用 ODE 仿真，验证了以上控制方法的有效性
3、。 关键字：关键字：准被动步行；倒立摆；受迫 Van der Pol 方程；PI 控制 第 II 页 武汉科技大学 武汉科技大学 硕士学位论文 Abstract A passive walker is a kind of walking robot, which can walk down a slope by its mechanical structure and gravitational potential energy. In the condition of keeping the characteristics of the passive walking, a simple d
4、river can be used to improve walking performance of the robot, which is called quasi passive walker. Compare to active walker, the passive walker can use energy more efficiently and some of it can walk more naturally. However, it is difficult to stabilize it in various environments, because it is ha
5、rd to synchronize the rocking period of the robot with the swing leg period. This research developed an online period control method to solve the stability problem. A mechanical oscillator is used to control the robot utilizing forced vibration. The forced Van der Pol equation and a PI controller we
6、re utilized to determine the target path of the mechanical oscillator, which can synchronize the rocking period of the robot with the swing leg period. Firstly, the amplitude controller of the target path of oscillator is improved to increase the stability, flexibility and accuracy. It is realized t
7、o ascend a slope for the quasi passive walker by generating the center of mass of the foot. Secondly, on the robot of this research, a kind of control method of step and speed is developed. The method can measure the step and walking speed of the robot utilizing the angular sensor of hip joint, and
8、control the step and walking speed by oscillator. Thirdly, it is realized to turn on a level ground for the robot by controlling the amplitude of the oscillator. Finally, the validity of the methods was analytically examined by numerical simulation ODE. Keywords-quasi passive walker; mechanical osci
9、llator; forced Van der Pol equation; PI controller 武汉科技大学 武汉科技大学 硕士学位论文 第III页 武汉科技大学 武汉科技大学 硕士学位论文 第 1 页 第一章第一章 绪论绪论 1.1 1.1 课题研究背景和课题研究背景和研究意义研究意义 双足步行机器人一直是机器人领域的前沿性课题。从关节有无主动驱动来分类，可以将目前的双足步行机器人分为主动步行机器人和被动步行机器人两类。对各个关节加以驱动，按照事先规划好的步态来行走的机器人被称为主动行走的机器人。包括日本的HRP-2，QRIO，法国的BIP2000，我国清华的THBIP系列，哈工大的H
10、IT系列，北理工的BHR系列，国防科大的KDW系列等1。与其相对应，被动步行机器人是一种由转动关节铰接的机械结构，能够在没有电机等动力装置的条件下，充分利用机器人自身的动力学特性，依靠重力稳定地走下斜坡。在保持被动步行特征的基础上，引入简单的驱动装置即是准被动步行机器人。 目前主动双足步行机器人发展到相对成熟的阶段，虽然可实现和人类相似的行走和奔跑功能，但在控制原理上与人类不同，且能量损耗很高，而被动步行机器人的能量消耗和人走路时差不多。图1.1通过将Asimo，Comoll 大学研制的被动机器人以及人类走路时的能量消耗进行比较2。主动步行机器人中最杰出的代表之一就是日本HONDA公司的Asi
11、mo。以Asimo为例, 从行走能力方面来看，它可以达到2.7km/h的行走速度。但是，它的步态仍然显得机械，能量消耗很大，其自身携带的电池只能使用半小时。从图1.1可知，Asimo的能源消耗大约是人类行走能源消耗的十几倍。主动双足步行机器人以电能作为能量来源，为机器人的行走运动提供能量。其中主要的能源消耗在电机供电上，主动机器人需要在每个自由度关节处添加一个电机，运用单片机、ARM、DSP芯片等来控制电机转动的速度与时间，来调节每个自由度的转动角度从而实现机器人预定的运动过程3。从图1.1来看，相对于主动机器人，被动机器人的能量消耗与人类步行时的能量消耗差不多。因为被动机器人的动力主要来自自
12、身的重力势能转化而来的动能，而且它的能耗也主要消耗在摩擦和碰撞上，不像主动机器人那样将大量的能量用于身体各部位的驱动。所以，通过对被动步行机器人的研究，有利于揭示人类步行的本质特征，并利用其研究成果提升主动机器人的能量利用效率。 从机器人步行的姿态来看，某些被动步行机器人的步行姿态更加接近与人类的步行姿态。以接近人类步行姿态的主动机器人Asimo为例，它在步行或跑动中，膝关节不能像人类一样完全伸展。而对于Comoll 大学研制的带有膝关节的被动步行机器人，却能够向人类一样自然行走。可以将其研究成果应用在假肢的设计上，用来制造大腿上肢截断者使用的义肢，使步行更加节能，行走更自然。而且其成果也有助
13、于研制更加接近人类步行方式的机器人。 被动步行机器人由于其机械构造和控制简单，通过仿真和实验以及建模和理论分析有助于揭示人类双足行走高能量效率、适应性与稳定控制的内在机理。 综上所述，对被动机器人的研究不但具有很高的学术研究价值，而且还具有相当的现实意义，所以被动步行机器人有很好的研究前景。 第 2 页 武汉科技大学 武汉科技大学 硕士学位论文 图图 1.1 步行能量消耗比较步行能量消耗比较 1.2 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 20 世纪初期，玩具工程师就发明了能够在斜面上依靠重力自动行走的玩具机器人。但是直到从上世纪 80 年代末开始，这种步行机器人及其行走原理才作为双足机器人的一
14、个研究对象，引起各国学者的注意。 图图 1.2 McGeer 的直腿的机器人和带膝关节的机器人的直腿的机器人和带膝关节的机器人 1.2.1 McGeer 的的被被动步行机器人动步行机器人 T.McGeer 以这类行走机器人为研究对象，提出了被动步行机器人的研究方法4。T.McGeer 研制了第一个不使用主动驱动器的被动步行机器人， 依靠重力势能和自身惯性能够沿倾斜地面稳定行走，同时提出了被动步行机器人的基本理论和研究方法，包括建立行走的动力学模型、稳定性证明、稳定步态解的求解。该被动步行机器人重 3.5kg，腿的长度为 50cm，带膝关节的被动步行机器人重 6.2kg，腿的长度为 80cm5（
15、图 1.2） 。 这两台机器人都使用 4 条腿行走避免侧向倾倒，由于在横向没有运动，所以只能算是2D 行走的被动步行机器人。它们都可以在 0.0250.05rad 的下坡斜面上稳定地行走。之后，T.McGeer 还对三维模型进行了仿真研究，但是没有找到稳定的步态5。 在 McGeer 研究的基础上，接下来各国的研究者对各种的模型进行了许多仿真与实验武汉科技大学 武汉科技大学 硕士学位论文 第 3 页 研究。研究对象从最简单的二维步行机器人发展到三维的步行机器人，如图 1.3 所示。实体机器人的研发也从被动步行机器人逐步发展到基于被动原理的有动力的准被动步行机器人。 图图 1.3 各国研究者提出的多种模型各国研究者提出的多种模型 在 McGeer 的理论的基础上，Cornell 大学的 Garcia 提出了最简单化的模型，如图 1.3（b）所示6。该模型的重量只集中在髋关节处，忽略了双腿和双足的重量，简化后该模型仅含有一个参数，即是斜面倾角。当斜坡的倾角小于 0.015rad 时，该简化模型存在稳定的周期步行。 图图 1.4 Cornell 的被动步行机器人的被动步行机器人 1.2.2 Cornell
