仿人机器人力信息反馈控制方法研究

仿人机器人是智能机器人领域中最活跃的研究热点之一,经过多年研究取得了很多成就。代替人类作业是仿人机器人发展的目标,而提高机器人的环境适应能力是实现这一目标的关键。感知环境是机器人增强环境适应能力的重要环节。对于仿人机器人而言,脚掌与地面之间的相互作用力和力矩(地面力信息)是最重要的外部环境信息。本文主要研究如何利用地面力信息对机器人进行控制,增强机器人姿态稳定性和环境适应能力。 首先,以力/力矩传感器作为力信息检测装置,设计传感器与控制系统之间的通讯接口,建立力信息反馈回路,并通过实验对系统性能进行检验。 其次,以FRI点作为机器人稳定性判据,推导了各种姿态下FRI点位置计算公式和稳定性判定的数学表达方法,并通过实验对算法的有效性进行了验证。 能够保持直立姿态是仿人机器人的基本能力之一。根据实际机器人机构的特点,本文提出了踝关节零力矩控制策略,设计控制器对姿态进行控制,并针对各种环境干扰进行仿真试验,对算法的稳定性和实时性进行了验证。 另外,从力信息反馈的角度出发,本文提出了一种未知地面行走的实时规划与控制算法。通过对踝关节的力矩控制,机器人实现了全脚掌着地;根据姿态信息计算步态参数,采用基于稳定判据的规划方法对步态进行规划;在行走过程中对FRI点位置进行检测,并对姿态进行实时调整,实现稳定控制。最后通过未知地面行走的仿真实验,验证了算法的有效性和可行性。 最后,对仿人机器人跳跃运动的控制策略和跳跃运动控制需要解决的几个问题进行了分析,并提出了后续研究需要解决的主要问题。