两足步行椅机器人步行稳定性及关节伺服控制研究

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1、两足步行椅机器人步行稳定性及关节伺服控制研究摘要两足步行椅机器人是一种可以载人或载物的两足机器人，它研究的主要目的是为下肢残疾人提供一种新的代步工具和用于复杂环境下的货物运输。同时，它也可以作为复杂系统控制、人机交互和大型嵌入式控制软件开发的研究平台。根据两足步行椅机器人的研究目标，本文主要在以下几个方面进行了深入研究。1)基于虚拟样机技术的两足步行椅机器人开发方法。建立了两足步行椅机器人的机械系统和控制系统模型，实现了机械系统和控制系统的联合仿真。利用该模型在两足步行椅机器人机械设计、步态设计、步态控制等方面进行了研究。虚拟样机技术为两足步行椅

2、机器人机械系统和控制系统的设计提供可靠的依据。2)推导出一种求两足步行椅机器人运动学逆解的解析方法。该方法把基坐标系建立在机器人的身体上，推导出两足机器人双脚相对于基坐标系的解析形式的运动学逆解。给出了基于该逆解的步态设计方法，并把步态变换算法从2维扩展到3维。3)研究了两足步行椅机器人质量分布对步行稳定性和步行效率的影响。对两足机器人质量分布的研究目前较少，大多数属于定性的描述。本文通过研究固定步态条件下，质量分布对ZMP稳定阂度和步行效率的影响，发现了一些新的结果(跟据作者目前掌握的文献来看)。即：大腿质量分布向髋关节偏移时，ZMP稳定裕度增

3、加；步行效率先增加然后减小。小腿质量分布向踝关节偏移时，ZMP稳定裕度增加；步行效率降低。上身质量分布向上移动时，稳定裕度先增加然后减小，步行效率先增加然后减小，但二者到达峰值时的质量偏移相距较远。同时，因为上身质量占总重比例较大，上身质量分布对稳定裕度和步行效率的影响比大腿和小腿的影响大。上身质量增加时，ZMP稳定裕度增加。大腿质量增加时，ZMP稳定裕度减小。小腿质量增加时，ZMP稳定裕度减小。这就是说，增加两足机器人上身重量占全身重量的比例可以提高步行稳定性。同时我们注意到连杆质量对ZMP稳定裕度的影响没有连杆质量偏移的影响大。该研究结果已经

4、应用于两足步行椅机器人的机械设计中。I)推导出两足机器人受外力和力矩情况下的ZMP公式。并把外力和力矩的干扰对两足机器人ZMP点的影响隔离出来。对于两足步行椅机器人，该第i页公式可用于研究乘客身体晃动对步行稳定性的影响。具体公式如下NUMl+Ty—rlfz+rz{x‰2——面矿广YZMV2——面面：F—一式中：器～不考虑乘客干扰时自勺ZMP点x座标罱～不考虑乘客干扰时的ZMP点y座标识，r，‘)^一乘客干扰合力作用点位置向量{六，^，正卜一乘客干扰合力扛，，r。r，卜一乘客干扰合力矩4)对两足步行椅机器人稳定性问题进行了研究。分析了乘客身体晃动对

5、步行稳定性的影响。通过研究发现乘客某种频率和幅度的身体晃动可以使原来不稳定的步态恢复稳定，这一结论说明可以利用乘客的身体晃动来提高步态的稳定阂度。从外界干扰强度大小的角度对步态稳定性问题进行分析，给出了处理较小和中等规模干扰的解决方案，即基于动力学模型的稳定性控制方法和基于步态局部调整的稳定性控制方法。5)利用虚拟样机技术，进行了两足步行椅机器人关节伺服控制的初步研究。采用PD控制器得到了较好的步态控制效果。为了提高脚触地过程的稳定性设计了一种踝关节柔顺控制器。利用遗传算法进行PD参数整定，取得了很好的效果。关键词：两足步行椅机器人，ZMP稳定闽

6、度，质量分布，关节伺服控制第ii页WAI，ⅪNGS11ABILITYANALYSISANDJOINTSERV0CONTROLOFABIPEDWALKINGCHAIRROBOTABSTRACTThebipedwalkingchairrobot(WCR)isakindofrobotthatcanloadpeopleorgoods．ThroughWCRstudy,wecanprovidethoselowerlimbdisablepeopleanewtransportation．WCRcanalsobeusedcargotransportationinc

7、omplexenvironment．WCRisaplatformforthestudyofcomplexsystemcontrol，human-machineinterfaceandembeddedsoftwaredevelopmentetc．BasedontheWCRstudyobjectsabove，questionsandresultsstudiedinthispaperarelistedbelow：1)DevelopWCRbasedonVP(VirtualPrototype)technology．Themechanismand西ntrol

8、systemmodeloftheWCRisconstructed．TheCO—simulationofmechanismandcontr