新型仿人机器人步态规划及控制系统研究

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1、摘要摘要作为人类与大多数动物所具有的移动方式，步行有着极高的灵活性和适应能力，但同时也是最复杂，最难于控制的。因此，双足步行机器人就成为了仿人机器人研究的一个重要方向。本文主要针对HITIV型仿人步行机器人，讨论了逆运动学算法、离线步态规划、和控制系统软、硬件设计等方面的内容。为了更好的模仿人类行走姿态，HIT-IV的步行机构具有12个自由度，且踩关节和靛关节的自由度均正交于一点。文中首先介绍了HIT-IV的机械结构和系统组成，并建立了数学模型。在此基础上，对这种机器人的逆运动学算法进行了推导，根据其结构特点得到了一种几何法与解析法相结合的综合方法，这种方法具有较高的准确性和

2、运算效率，并且有效的消除了多解情况。然后，讨论了HIT-IV机器人的离线步态规划方法。这种方法先根据机器人与人类腿部结构的差异，将人类行走统计数据和经验姿态转化为机器人的运动轨迹，之后由逆运动学算法反解出各关节角，通过运动学和动力学模型的仿真对解出的数据进行修改，从而得到最终的规划结果。最后，介绍了HIT-IV机器人的控制系统。为了保证系统的扩展性、易用性，减少周期和难度，采用了基于通用PC的开放式数字控制系统，系统的核心是TurboPMAC可编程多轴控制器，用来完成实时伺服任务。而PC机负责非实时的数据存储和显示等工作。二者通过ISA总线实现通讯，并利用多媒体定时器保证数据

3、同步。文中详细说明了TurboPMAC的特点、功能和主要设置，讨论了控制系统的硬件组成、软件设计等内容，并给出了该系统的实际控制结果，证明了控制系统和规划数据均是有效、可行的。关键词仿人步行机器人逆运动学步态规划开放式控制系统可编程多轴控制器哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractAsoneofthemovingstylesofhumanbeingsandthemostanimals,walkinghasthefeaturesofsuperflexibilityandadaptability,atthesametimeitisthemostcomplicatedandd

4、ifficulttocontrol.Sotheresearchonbipedrobotbecomesanimportantsubjectofhumanoidrobot.Thispapermainlydiscussestheproblemsofinversekinematicsalgorithm,off-linegaitplanning,andthesoftwareandhardwaredesignsofthecontrolsystemontheHIV-IVbipedrobot.Inordertoimitatetheattitudeofhumanbeings,HIV-IVwal

5、kingmechanismhastwelveDOFs,andthejointsofankleandcoaxareorthogonalatonepoint.Firstly,thepaperintroducesthestructureofHIVIVrobotanditssystem,andbuildsitsmathematicalmodels.Onthisbasis,inversekinematicalgorithmisdeduced.Soasyntheticalmethodofgeometricsandanalysiscanbeobtainedaccordingtotherob

6、ot'sstructure.Thismethodhasbetteraccuracyandoperationefficiencyandcaneliminateredundantsolutionsefectively.Secondly,themethodofoff-linegaitplanningofHITIVrobotisdiscussedAccordingtothelegs'structuraldiferencesbetweenrobotsandhumanbeings,man'swalkingstatisticdataandempiricalgaitsareconverted

7、intotherobot'smotiontrajectory,theneachjointanglecanbecalculatedinverselyonthebasisofinversekinematicalgorithm.Throughthesimulationonthekinematicmodeland勿namicmodel,datacanberevisedtoachievetheultimategaitresults.Lastly,HIT-IVrobot'scontrolsystemisintrod