仿人机器人设计及步行控制方法博士

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1、浙江大学控制科学与工程学系博士学位论文仿人机器人设计及步行控制方法姓名：汤卿申请学位级别：博士专业：控制科学与工程指导教师：褚健;熊蓉20090601摘要设计仿人机器人并实现动态步行是机器人研究领域的一个研究热点，通过金世界众多科学家的努力，已经取得了很大的进展，但是还存在较多的问题，如机器人的步态规划方法实时性不高，不能实现在线规划；机器人的稳定性较差，抵抗外界干扰的能力不强；机器人的仿真平台不够完善；仿人机器人实物设计方法欠缺等等．本文针对仿人机器人设计和控制中的几个关键性问题展开了较为深入的研究和探索，研究主要内容包括：1．通过仿真和

2、严格的计算推导，设计研制具有高度灵活性、实时性的仿人机器人样机Wukong和ZJUPursuer-1，并将仿人机器人的设计方法和设计理念详细地阐述出来，解决了研制过程中遇到的自由度的配置、关节力矩的分析、运动的实时控制、传感器数据的实时采集等问题．2．对仿人机器人建立连杆模型，分析其运动学，动力学特性，设计了一集机器人运动学分析，动力学分析、传感器模拟和智能决策于一体的仿真平台，并做到了与实物机器人的无缝连接。3．采用最优化线性搜索的规划方法设计仿人机器人的步态规划。通过设定的步行参数设计仿人机器人的脚踝关节运动轨迹和ZMP运动轨迹，通过最

3、优化原理求解仿人机器人的髋关节轨迹．优化中将泛函极值最优化问题转换成为基于非线性约束最优化的问题，将连续空间的多变量规划问题转换成为离散空间的二维变量规划问题，加快了优化的效率，做到了机器人步态的在线生成和轨迹的在线规划。4．采用倒立摆模型从能量的观点分析仿人机器人的稳定性．通过姿态传感器检测扰动大小，将扰动按照扰动自身大小和步态类型进行分类，然后分别对不同大小的扰动进行分析和控制，避免了机器人的摔倒，保持了机器人的平衡。该方法不仅解决了仿人机器人的稳定性问题，同时可以用来解释人的运动规律，从能量的观点出发，将人的行走与机器人的行走统一起来

4、了．最终将步行控制算法运用在自行研制的仿人机器人样机上，取得了不错的控制效果．机器人控制算法的实时性得到提高，稳定性得到加强，能够有效的抑制小幅干扰。采用自行设计的步行控制算法的小型仿人机器人Wukong在2007年中国机器人足球赛上取得了类人组的冠军。文章的最后对本文做出总结和展望，提出了今后的研究方向。关键词：仿人机器人，步态规划，平衡控制，仿真平台，实物设计，倒立摆模型，步态优化，轨道能量IVAbstractThedesigningofhumanoidrobotanditsdynamicwalkingalgorithmsarethec

5、hallengingresearchareainroboticsresearch．Undertheeffortofresearchers，muchprogresshasgained；stillthereexistedalotofproblems．Theplanningalgorithmsstilltakelotsoftimeandhardlycouldbereal—timeimplementedonphysicalrobots．Thestabilizationofbipedlocomotionisstillaproblemforhumano

6、idrobot,especiallywithdisturbance．Thesimulationplatformisnotwellplantedforrobotresearchandnosufficientrulestofollowfordesigningaphysicalhumanoidrobot．Inthispaperwetriedtosolvemostoftheproblemsabove,togivedeepinsightsintotheresearchofhumanoidrobot，whichincludes：1．Designtwoh

7、umanoidrobotprototypesWukongandZJUPursuer-1accordingtospecificcalculationandsimulation．Presenttheconceptofdesigninghumanoidrobotandrulesthathavetofollow．SolvetheproblemsincludingDOFdistribution，jointtorqueanalysis，real-timemotionplanning,real-timesensorfeedbackanalysis．2．M

8、odeltherobotwithlinkmodels．Asimulationplatformwhichcouldanalyzethekinematicsanddynamicsof