论文摘要
双足步行机器人是一种以人类为模板的智能机器人,能够适应人类的生活环境,因此有很多优势,但因其非线性的运动方式,高自由度,关节的耦合性,以及较小的支撑区域等致使双足机器人的平衡控制是一个非常复杂的内容。在以往的机器人研究中主要是进行行走规划和步态控制,本文内容以机器人直立状态为对象,重点研究机器人在站立状态的平衡控制策略。本文以Nao机器人为研究对象,针对外部作用力的不同,根据前人的研究成果,分别采用踝关节策略、髋关节策略和迈步策略实现机器人的平衡控制。对于踝关节策略,由线性倒立摆模型得出了稳定区域,通过踝关节的力矩控制实现了平衡维持和状态恢复；对于髋关节策略,由飞轮倒立摆模型得出了适用于髋关节策略的稳定区域。在髋关节策略平衡控制实现过程中,采用反应零空间方式RNS (Reaction Null Space)的方法实现了机器人的平衡控制和状态恢复；另外,通过结合踝关节策略和髋关节策略实现了抬腿策略的平衡控制方法；对于迈步策略,通过单倒立摆模型和踝关节的力矩控制方法得出了迈步策略的启动条件。在迈步策略实现过程,结合线性倒立摆模型、双支撑倒立摆模型和飞轮倒立摆模型得出了捕获点的位置,并采用逆运动学方法实现了迈步动作。在迈步动作基础上,通过人为设定捕获点位置,初步实现了行走规划。这三种控制策略模仿人类应对外部作用力的情形,理论上通过三种控制策略的结合可以抵抗任意大小的外部扰动力。本文的创造性工作在于本文合理的利用Nao机器人的刚度控制,将一些控制策略应用到Nao机器人,并对各个策略的稳定区域包括自稳定区域进行了定量的分析,在控制策略实现过程针对Nao机器人的特点进行了改进,在不同扰动力情况下实现了机器人的平衡控制,并最终在Nao机器人上进行了实验验证。