基于预观控制的仿人机器人步态规划与稳定控制

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1、基于预观控制的仿人机器人步态规划与稳定控制李通通2016年1月中图分类号：TP242.6UDC分类号：621基于预观控制的仿人机器人步态规划与稳定控制作者姓名李通通学院名称机电学院指导教师余张国副教授答辩委员会主席宋萍教授申请学位工学硕士学科专业机械工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2016年1月GaitPlanningandStabilityControlforBipedRobotBasedonPreviewControlCandidateName：TongtongLiSchoolorDepartment:SchoolofMechatronicalEngineeringFac

2、ultyMentor:Prof.ZhangguoYuChair,ThesisCommittee：Prof.PingSongDegreeApplied:MasterofScienceMajor：MechanicalEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：January，2016研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育

3、机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：摘要稳定行走能力是仿人机器人服务人类的必要前提，因此也成为仿人机器人领域内一直备受关注且重点研究的热门课题之一。目前国内外关于仿人机器人稳定行走的研究非常广泛，而预观控制理论根据未来的ZMP（零力矩点）信息对当前的质心状态做出调整，数学模型简单且生成的轨迹平滑，因此是仿人机器人稳定行走研究领域内非常重要的一种方法。但目前基于预观控制理论的稳定行走研究多针对受到扰动时微量调整质心或ZMP轨迹，并不能根据扰动情况调整落脚点，且实时性有待于进一步提

4、高。本文基于预观控制理论，加入抗干扰控制策略，并进一步提高算法的实时性，提出了基于预观控制的仿人机器人行走步态规划与稳定控制方法。首先，针对ZMP跟踪精度与算法实时性相矛盾的问题，本文在使用预观控制理论时，通过减小预观时间来提高质心轨迹生成的实时性；另一方面通过多连杆模型对倒立摆模型进行补偿，弥补因为模型原因带来的ZMP跟踪误差大的问题，解决了ZMP跟踪精度与算法实时性间的矛盾。其次，针对目前基于预观控制理论的研究不能根据扰动情况调整落脚点的问题，本文提出了基于预观控制理论的仿人机器人抗扰动控制策略，当机器人受到外界干扰时，通过使用倒立摆飞轮模型计算外界干扰对机器人ZMP的影响情况来

5、决定是否调整落脚点以适应外界干扰所带来的不稳定因素。此外，针对机器人位置控制所带来的触地冲击力过大的问题，本文提出了仿人机器人柔顺着地控制器，有效减小仿人机器人脚底板触地时的冲击力，进一步增强仿人机器人行走稳定性。最后，建立了基于Adams动力学仿真软件的虚拟样机，并通过仿真验证了多连杆模型补偿的有效性和仿人机器人行走抗扰动控制器的有效性。并进行了BHR-5仿人机器人平台多连杆模型补偿和行走抗扰动实验，进一步验证了基于预观控制的仿人机器人步态规划与稳定控制方法的有效性。关键词：仿人机器人；预观控制；步态规划；稳定控制IAbstractTheabilitytowalkstablyisa

6、lwaysanimportantresearchfieldofroboticsbecauseitisanecessarypremiseforahumanoidrobottoservepeople.Previewcontroltheoryisawidelyusedmethodtogeneratetherobot’sCOM(centerofmass)trajectoryduetoitsadvantages.Forexample,themethodmathmodelisverysimpleanditcanadjustCOMtrajectoryinadvancebasedonZMP(zero

7、momentpoint)trajectoryinthefutureandgenerateverysmoothtrajectory.Ontheotherside,themethod’sdisadvantagesarepoorrealtimepropertyandlargetrackingerrorsbecauseofitssimplemathmodel.Inthisthesis,theproposedmethodbasedonpreviewcontrolha