Analyses of dynamic stability and study of waist control for a wheel-based humanoid robot

Abstract

仿人机器人研究从仿生学角度具有拟人功能的智能机器人，它需要结合机构、控制、传感和材料等技术。随着社会经济与科技水平的发展，使仿人机器人引入人类环境，与人类一同工作、合作和交互成为可能，仿人机器人的研究也成为当今机器人研究中的热点内容之一。本论文以中科院沈阳自动化研究所机器人学重点实验室承担的国家863计划“十五”项目——“宜人化双臂操作型服务机器人”为依托，以本项目中的轮式仿人机器人为研究对象。本论文的主要内容包括：对项目样机中的差动腰部机构的运动学、动力学建模，腰部机构基于运动学的控制算法及实验研究；仿人机器人的整体动力学建模，基于动力学模型的腰部机构控制算法与仿真研究；依据零力矩点(ZMP)理论完成轮式仿人机器人的ZMP建模及其动态稳定性的深入分析。人类的腰部具有高度的灵活性、柔韧性，是人体系统运动的调节中枢。仿人机器人的腰部机构同样应具有调节系统平衡、协调系统运动的作用。本文中仿人机器人的腰部采用新颖的差动并联驱动的腰部机构。本文建立了该机构的运动学和动力学模型，采用分解运动速度控制实现了差动腰部机构的运动学控制，并进行了实验研究。仿人机器人是一个多自由度、非线性、具有复杂运动学、动力学特性的多刚体系统。本文在合理简化的基础上，利用高效牛顿－欧拉动力学建模方法完成了本轮式仿人机器人的整体动力学建模，分析了各关节间的动力学影响，并在此基础上给出了仿人机器人腰部机构动力学模型，该模型考虑了车体、手臂运动及手部外负载的动力学影响。本文还对基于动力学模型的腰部机构带计算力矩补偿的PD伺服控制与腰部机构基于运动学的PD伺服控制进行了仿真比较研究，仿真结果表明，基于动力学模型的腰部机构计算力矩控制算法能有效地提高腰部机构的位姿跟踪精度。本轮式仿人机器人移动性好，但支撑点少，上身重量偏大，它的动态稳定性成为不容忽视的问题。零力矩点理论是用于判定机械系统动态平衡的经典理论，至今仍被广泛应用。本文基于零力矩点概念，结合机器人的高效牛顿－欧拉动力学模型，建立了仿人机器人的基于车体坐标系的迭代ZMP计算模型，该模型考虑了机器人关节的质量、惯量等参数，包含了惯性力、离心力、重力等对ZMP的影响。经分析可知，腰部机构的运动模式和车体运动加速度是影响ZMP的主要因素，进而给出了ZMP的简化计算模型，依据该简化模型，本文深入讨论了腰部机构与车体的协调运动和轮式仿人机器人的动态稳定性之间的关系，为考虑机器人动态稳定性的腰部机构运动规划及仿人机器人的动态稳定性控制奠定了基础