仿人機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃反饋控制研究綜述n

1、仿人機(jī)器人能靈活地適應(yīng)各種復(fù)雜的地面環(huán)境,具有靈活的運(yùn)動(dòng)方向和速度變化范圍,成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容之一。目前仿人機(jī)器人研究的重點(diǎn)是如何使仿人機(jī)器人能穩(wěn)定地行走1。為了實(shí)現(xiàn)仿人機(jī)器人的穩(wěn)定行走,步態(tài)規(guī)劃是成功和有效地實(shí)現(xiàn)雙足穩(wěn)定步行的理論基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)。仿人機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃不僅取決于地面條件、下肢結(jié)構(gòu)、控制的難易程度,而且必須滿足運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性、速度、機(jī)動(dòng)性和功率等要求。步態(tài)規(guī)劃算法按照步態(tài)規(guī)劃控制方式來(lái)分,可以分成非反饋式的步態(tài)規(guī)劃算法和反饋式的步態(tài)規(guī)劃算法。非反饋式的步態(tài)規(guī)劃算法是在假定一系列物理環(huán)境和仿人機(jī)器人本身動(dòng)力學(xué)模型特性的基礎(chǔ)上,人工生成雙足步行的步態(tài)。目前已有多種各具特色的步

2、態(tài)規(guī)劃方法:幾何約束規(guī)劃法、能量約束法、模糊邏輯控制法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、遺傳算法、基于模型的控制方法、分層演化算法、基于符號(hào)運(yùn)算法。反饋式的步態(tài)規(guī)劃算法基本思路:實(shí)時(shí)收集仿人機(jī)器人和步態(tài)穩(wěn)定性有關(guān)的各種傳感器的信息,根據(jù)傳感器信息實(shí)時(shí)地控制機(jī)器人穩(wěn)定行走。如日本本田公司的Asimo仿人機(jī)器人,日本通產(chǎn)省工業(yè)技術(shù)研究院的HRP系列機(jī)器人等都采用了反饋式的步態(tài)規(guī)劃方法。反饋式步態(tài)規(guī)劃算法相對(duì)于非反饋式的步態(tài)規(guī)劃算法,具有更好的自適應(yīng)性和魯棒性。主要對(duì)仿人機(jī)器人反饋式步態(tài)規(guī)劃的研究?jī)?nèi)容、典型反饋式仿人機(jī)器人和目前研究發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了綜述。1反饋式步態(tài)規(guī)劃研究?jī)?nèi)容反饋式步態(tài)規(guī)劃研究?jī)?nèi)容主要包括傳感器信息采集

3、處理和反饋控制方法兩個(gè)方面的內(nèi)容。1.1傳感器信息采集處理在機(jī)器人上安裝和機(jī)器人步行穩(wěn)定有關(guān)的傳感器,根據(jù)采集到的傳感器信息控制機(jī)器人平穩(wěn)的行走。從功能上劃分,傳感器主要包括ZMP測(cè)量傳感器和姿態(tài)傳感器。ZMP測(cè)量傳感器通過(guò)測(cè)得的數(shù)據(jù)可以求出ZMP位置,主要包括兩種類型:一種是通過(guò)在機(jī)器人的兩個(gè)腳踝關(guān)節(jié)處分別安裝一個(gè)六維力矩傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn),另一種是通過(guò)在機(jī)器人足底安裝若干片力傳感記錄單元(Force Sensing Register, FSR來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前常常在大型超過(guò)80cm的仿人機(jī)器人上安裝6軸力矩傳感器來(lái)測(cè)量;由于力矩傳感器比較大,在小型仿仿人機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃反饋控制研究綜述畢盛1,閔華清2,

4、陳強(qiáng)1BI Sheng1,MIN Huaqing2,CHEN Qiang11.華南理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,廣州5106402.華南理工大學(xué)軟件學(xué)院,廣州5106401.School of Computer Science and Engineering,South China University of Technology,Guangzhou510640,China2.School of Software Engineering,South China University of Technology,Guangzhou510640,ChinaBI Sheng,MIN Huaqing,

5、CHEN Qiang.Review of humanoid robot feedback control gait planning.Computer Engineer-ing and Applications,2011,47(7:30-33.Abstract:Humanoid robot gait planning is one of the most important research areas.The main methods of humanoid robot gait planning,feedback control method and not feedback contro

6、l method,are introduced.The characteristics of feedback con-trol gait planning are summarized and described the concrete control method and process of many famous humanoid robots, such as Asimo,HRP,KHR and Darmstad.The problems of feedback control gait planning to be solved in the future are listed.

7、 Key words:humanoid robot;gait planning;feedback control摘要:仿人機(jī)器人步行穩(wěn)定性是機(jī)器人領(lǐng)域重要研究?jī)?nèi)容之一。介紹了仿人機(jī)器人常用的步態(tài)規(guī)劃方法,劃分為非反饋式和反饋式的兩種步態(tài)規(guī)劃算法。總結(jié)了反饋式步態(tài)規(guī)劃主要研究的內(nèi)容,并以世界著名Asimo、HRP、KHR和Darmstad仿人機(jī)器人為例,描述仿人機(jī)器人具體反饋控制方法和過(guò)程。探討了仿人機(jī)器人步態(tài)反饋控制中有待研究的內(nèi)容。關(guān)鍵詞:仿人機(jī)器人;步態(tài)規(guī)劃;反饋控制DOI:10.3778/j.issn.1002-8331.2011.07.009文章編號(hào):1002-8331(201107-

8、0030-04文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A中圖分類號(hào):TP24基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(the National Natural Science Foundation of China under Grant No.60873078;廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(No.2009KP008;深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目(No.JC200903180740A。作者簡(jiǎn)介:畢盛(1978,男,博士生,講師,主要研究領(lǐng)域?yàn)橹悄軝C(jī)器人;閔華清(1953,男,博士,教授,博士生導(dǎo)師;陳強(qiáng)(1985,男,碩士生。E-mail:picy收稿日期:2010-07-26;修回日期:2010-10-14 人機(jī)器人(80cm 以內(nèi)很難安裝上,所以采用

9、在腳底板安裝多個(gè)力傳感記錄單元來(lái)測(cè)量出ZMP 的位置。姿態(tài)傳感器主要由加速度傳感器和角速度傳感器(陀螺儀組成,測(cè)量機(jī)器人的傾斜信息。通過(guò)角速度傳感器可以測(cè)量出機(jī)器人傾斜的角速度。機(jī)器人傾斜的角度是通過(guò)加速度傳感器和角速度傳感器共同獲得的,這是因?yàn)榧铀俣葌鞲衅鞣磻?yīng)速度慢,對(duì)于測(cè)量靜態(tài)的姿態(tài)是夠用了,但在行走時(shí)不能及時(shí)地測(cè)出當(dāng)前的姿態(tài)。角速度傳感器能及時(shí)地測(cè)出姿態(tài)的變化,但它只是用來(lái)測(cè)量姿態(tài)的角速度,要通過(guò)積分才能得到機(jī)器人姿態(tài)角度,短時(shí)間內(nèi)用角速度積分得到角度還可以,但時(shí)間一長(zhǎng)會(huì)造成很大的累計(jì)誤差。所以用這兩種傳感器單獨(dú)來(lái)測(cè)量機(jī)器人的姿態(tài)都會(huì)有較大的誤差。所以常常通過(guò)對(duì)測(cè)量到的加速度數(shù)據(jù)和角速度

10、數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,從而得到仿人機(jī)器人的姿態(tài)信息。1.2反饋控制方法仿人機(jī)器人反饋控制方法思路主要是根據(jù)采集到的姿態(tài)和ZMP 信息對(duì)仿人機(jī)器人進(jìn)行控制,從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的行走。見(jiàn)圖1。 由于仿人機(jī)器人是一個(gè)很復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)模型,所以在控制過(guò)程中常常利用它的一些簡(jiǎn)化模型,常常采用的簡(jiǎn)化模型是倒立擺模型。 在實(shí)際控制過(guò)程中常常采用多個(gè)控制環(huán)實(shí)現(xiàn)仿人機(jī)器人的穩(wěn)定行走:(1基于ZMP 位置作為控制量的ZMP 位置控制環(huán)。具體過(guò)程:設(shè)定好理想的ZMP 位置點(diǎn),控制器控制實(shí)際的ZMP 位置不斷地接近設(shè)定的ZMP 位置。常采用倒立擺模型作為仿人機(jī)器人的簡(jiǎn)化模型,根據(jù)倒立擺模型可以得到ZMP 點(diǎn)和質(zhì)心的數(shù)學(xué)關(guān)系,從而根據(jù)

11、ZMP 控制器對(duì)機(jī)器人行走時(shí)的質(zhì)心軌跡進(jìn)行調(diào)整,最后通過(guò)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方法對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)角度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。(2基于姿態(tài)信息的姿態(tài)反饋控制環(huán)。姿態(tài)傳感器常常安裝在機(jī)器人髖關(guān)節(jié)上,根據(jù)髖關(guān)節(jié)的設(shè)定值和姿態(tài)傳感器測(cè)量值進(jìn)行比較,從而控制機(jī)器人姿態(tài)不斷地接近設(shè)定值。在機(jī)器人行走時(shí),主要是踝關(guān)節(jié)的角度決定了機(jī)器人整體的偏轉(zhuǎn)角度,髖關(guān)節(jié)的角度決定了上身和腿部之間偏轉(zhuǎn)角度。所以可近似地利用機(jī)器人踝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的角度來(lái)表示機(jī)器人的姿態(tài)角度,所以常常通過(guò)控制機(jī)器人踝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的角度來(lái)控制機(jī)器人的姿態(tài)。(3其他種類控制環(huán)。在仿人機(jī)器人閉環(huán)控制中,往往還有其他類型的控制環(huán)節(jié)。如在一些仿人機(jī)器人還對(duì)落腳時(shí)著地點(diǎn)的動(dòng)量進(jìn)行控

12、制,從而減少地面對(duì)機(jī)器人的沖擊等等。在實(shí)現(xiàn)仿人機(jī)器人的控制時(shí),常常對(duì)機(jī)器人的行走過(guò)程分成一些子階段,在這些子階段中采用不同的控制環(huán)節(jié)。2典型反饋式仿人機(jī)器人用了反饋式的控制方法。其中包括日本本田公司的Asimo 2-3、日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所HRP 仿人機(jī)器人4-6、富士通公司的Hoap27和索尼公司的QRIO 8,韓國(guó)先進(jìn)科學(xué)與技術(shù)研究所的KHR 仿人機(jī)器人9-11,德國(guó)Darmstadt 大學(xué)的Darmstadt 仿人機(jī)器人12-13和我國(guó)清華大學(xué)的TTHBIP 14、國(guó)防科技大學(xué)的Black-mann 15和北京理工大學(xué)的匯童仿人機(jī)器人16等。Asimo 、HRP 、KHR 、TTHBI

13、P 、Blackmann 和匯童機(jī)器人都是超過(guò)1m 的仿人機(jī)器人,它們身上都安裝了姿態(tài)傳感器和力矩傳感器,根據(jù)力矩傳感器測(cè)量到ZMP 位置點(diǎn),建立ZMP 控制器。它們都有利用姿態(tài)傳感器對(duì)自身的姿態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)節(jié)。Hoap2、QRIO 和Darmstadt 仿人機(jī)器人是低于80cm 的仿人機(jī)器人,它們都在身上安裝了姿態(tài)傳感器,可以進(jìn)行姿態(tài)平衡的控制。其中Hoap2、QRIO 仿人機(jī)器人還在腳底安裝了FSR 傳感器,從而可以得到腳底和地面進(jìn)行面接觸時(shí)的ZMP 點(diǎn)坐標(biāo),實(shí)現(xiàn)ZMP 位置控制。針對(duì)仿人機(jī)器人的控制環(huán)節(jié),不論機(jī)器人的大小,在控制思路和設(shè)計(jì)上都是差不多的,只是在控制細(xì)節(jié)上有區(qū)別。選擇了在控

14、制上有較多研究文獻(xiàn)的仿人機(jī)器人HRP 、KHR 和Darmstadt 仿人機(jī)器人作為主要的研究對(duì)象,并對(duì)它們所采取的控制方案進(jìn)行詳細(xì)的論述。同時(shí)由于Asimo 仿人機(jī)器人是仿人機(jī)器人發(fā)展中具有里程碑意義的機(jī)器人,所以也將對(duì)它的步態(tài)控制方法進(jìn)行論述。在本文中,對(duì)Asimo 、HRP 、KHR 和Darmstadt 仿人機(jī)器人的控制方法進(jìn)行了詳細(xì)地論述,將為其他仿人機(jī)器人研究者在機(jī)器人控制的研究上提供參考。其中,Asimo 、HRP 、KHR 和Darmstadt 仿人機(jī)器人見(jiàn)圖2。2.1Asimo 仿人機(jī)器人ASIMO 機(jī)器人2-3是日本本田公司研制的一款仿人機(jī)器人,身高1.2m 。裝有加速度計(jì)

15、和陀螺儀用以檢測(cè)機(jī)器人軀干的姿態(tài),六維力/力矩傳感器用以檢測(cè)腳與地面之間的力/力矩。ASIMO 在反饋控制穩(wěn)定行走主要采用了三種控制方法:地面反作用力控制、目標(biāo)ZMP 控制、落腳點(diǎn)控制。地面反作用控制通過(guò)對(duì)每個(gè)腳的位置和姿勢(shì)進(jìn)行調(diào)整使實(shí)際的地面總反作用力作用點(diǎn)到一個(gè)合適的位置。在單足支撐階段,通過(guò)對(duì)支撐腿姿勢(shì)進(jìn)行控制使實(shí)際的地面總反作用力作用點(diǎn)在設(shè)計(jì)好的ZMP 范圍內(nèi),如果身體往前傾,則把支撐腿的前半部分降低,后傾則把支撐腿的后半部分降低。類似地,在雙足支撐階段也是采用同樣的策略。目標(biāo)ZMP 控制是指當(dāng)ASIMO 不能站穩(wěn)且身體開(kāi)始向前倒下時(shí),它可通過(guò)向即將倒下的相反方向移動(dòng)上半身來(lái)保持姿勢(shì)。

16、同時(shí),它會(huì)加快行走速度,以快速平衡向下倒的力。落腳點(diǎn)控制通過(guò)調(diào)整步幅,達(dá)到身體速度與步幅間的協(xié)ZMP 控制的ZMP 點(diǎn)位置的調(diào)整過(guò)程中,可能會(huì)使身體和ZMP 值圖1反饋控制框圖Asimo HRP KHR Darmstadt圖2Asimo 、HRP 、KHR 和Darmstadt 仿人機(jī)器人前傾或后傾,這時(shí)就要通過(guò)調(diào)整步幅變大或變小,使機(jī)器人身體和步幅達(dá)到協(xié)調(diào)。2.2HRP系列仿人機(jī)器人HRP系列仿人機(jī)器人4-6是由日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所(AIST研制的,目前最新的HRP-4C仿人機(jī)器人是一個(gè)女性機(jī)器人,身高接近1.58m,重約43kg。裝有加速度計(jì)和陀螺儀用以檢測(cè)機(jī)器人軀干的姿態(tài),六維力/力矩

17、傳感器用以檢測(cè)腳與地面之間的力/力矩。在研究HRP系列機(jī)器人過(guò)程中,HRP系列仿人機(jī)器人主要采用ZMP補(bǔ)償控制、落腳高度控制和落腳點(diǎn)控制三個(gè)反饋控制環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的穩(wěn)定行走。ZMP補(bǔ)償控制通過(guò)對(duì)腰部位置的水平運(yùn)動(dòng)控制來(lái)調(diào)整ZMP偏差,調(diào)整后x方向的值wxm (ti可由式(1和式(2求出:wxm (ti=wxr(ti+D wx(ti(1D wx (ti=D wx(ti-1+k1(pxm(ti-pxr(ti(2p xr (ti和pxm(ti分別是在ti時(shí)刻,x方向上的ZMP參考值和測(cè)量值;wxr (ti是在ti時(shí)刻,x方向上的腰部關(guān)節(jié)調(diào)整前的值;k1是比例系數(shù)。落腳高度控制保證機(jī)器人擺動(dòng)腳的實(shí)際落

18、腳高度大于在設(shè)定的落腳時(shí)間內(nèi)的規(guī)劃落腳高度,從而避免擺動(dòng)腳還沒(méi)有完全落腳好,就擺動(dòng)另一個(gè)腳的情況。通過(guò)檢測(cè)擺動(dòng)腳上的力矩傳感器,當(dāng)擺動(dòng)腳上的力矩傳感器大于一定閥值時(shí)表示擺動(dòng)腳確實(shí)著地了,此時(shí)才確定擺動(dòng)另一個(gè)腳。落腳點(diǎn)控制可以讓機(jī)器人保持一個(gè)長(zhǎng)期穩(wěn)定的步行狀態(tài)。當(dāng)用原始的參數(shù)產(chǎn)生腿部軌跡后,可以評(píng)價(jià)ZMP的誤差,當(dāng)誤差大到預(yù)定閾值時(shí),下一步的落腳點(diǎn)就要進(jìn)行調(diào)整,才能抵消先前的ZMP誤差。由于改變了當(dāng)前要執(zhí)行的落腳點(diǎn),要引入對(duì)擺動(dòng)腿速度和加速度進(jìn)行限制的機(jī)制,來(lái)確保不會(huì)產(chǎn)生不可實(shí)現(xiàn)的行為。2.3KHR系列仿人機(jī)器人KHR機(jī)器人9-11是韓國(guó)先進(jìn)科學(xué)與技術(shù)研究所(KAIST開(kāi)發(fā)的仿人機(jī)器人,身高1.

19、2m,重約56kg。裝有加速度計(jì)和陀螺儀用以檢測(cè)機(jī)器人軀干的姿態(tài),六維力/力矩傳感器用以檢測(cè)腳與地面之間的力/力矩。KHR機(jī)器人反饋控制通過(guò)4種控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。它們是ZMP校準(zhǔn)控制器(ZRC、朝向修正控制器(OCC、順應(yīng)控制器(CC、踝部力矩差分控制器(ATDC。ZMP校準(zhǔn)控制器(ZRC通過(guò)改變腰部的偏移位置來(lái)使測(cè)量ZMP接近理想ZMP。機(jī)器人等效為一個(gè)簡(jiǎn)單的2D倒立擺模型,得到一個(gè)關(guān)于實(shí)際ZMP與質(zhì)點(diǎn)期望水平位移x方向之間的傳遞方程見(jiàn)式(3:XZMP(sX des (s=Kmgl×-s2+gls2+(Kml-gl(3采用積分控制器,控制機(jī)器人腰部的偏移位置使測(cè)量ZMP接近理想ZMP。

20、朝向修正控制器(OCC用于校正在縱垂面和橫垂面上軀干的俯仰角和滾動(dòng)角。根據(jù)姿態(tài)傳感器采集到的姿態(tài)信息, OCC通過(guò)改變踝關(guān)節(jié)的俯仰角和滾動(dòng)角來(lái)控制機(jī)器人俯仰和滾動(dòng)姿勢(shì)。順應(yīng)控制器(CC用來(lái)控制機(jī)器人的擺動(dòng)腳在落地時(shí),消 通過(guò)主動(dòng)控制踝關(guān)節(jié),使其力矩為零。順應(yīng)控制器主要是在機(jī)器人雙足落地階段起作用。踝部力矩差分控制器(ATDC是以兩個(gè)踝關(guān)節(jié)俯仰力矩之差為輸入的PI控制器,如式(4:offset ATDCankle pit ch L=-æèçöø÷KP+KIs´(Tpitch R-Tpitch L(4其中,Tpitch R和Tp

21、itch L是左右踝的俯仰測(cè)量力矩。并不需要兩個(gè)俯仰力矩為零,而只是保持它們的差為零,這樣踝力矩可自動(dòng)收斂到相應(yīng)的參考xZMP上。踝部力矩差分控制器主要是在機(jī)器人雙足落地階段起作用。2.4德國(guó)Darmstadt系列仿人機(jī)器人德國(guó)Darmstadt仿人機(jī)器人12-13是由德國(guó)Darmstadt大學(xué)研制的,獲得了2009年、2010年世界RoboCup機(jī)器人大賽仿人組的冠軍。Darmstadt仿人機(jī)器人身高57.5cm,重3.34kg,在腰部裝有加速度計(jì)和陀螺儀用以檢測(cè)機(jī)器人的姿態(tài)。Darmstadt仿人機(jī)器人加速度傳感器主要用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人是否已經(jīng)摔倒。機(jī)器人的行走運(yùn)動(dòng)是通過(guò)安裝在臀部的陀螺儀傳感

22、器數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制。機(jī)器人采用PID控制,見(jiàn)式(5:qnew=q+kp·w+kd·d wd t(5q表示根據(jù)ZMP公式事先規(guī)劃好的機(jī)器人關(guān)節(jié)角度,qnew表示t時(shí)刻的機(jī)器人姿態(tài)信息調(diào)整后的角度,它們表示踝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng),俯仰角度。w表示機(jī)器人姿態(tài)擺動(dòng)的速度有陀螺儀測(cè)出。kp和kd表示積分和微分系數(shù),通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)得出來(lái)。2.5四種仿人機(jī)器人控制方案對(duì)比通過(guò)對(duì)Asimo、HRP、KHR和Darmstadt仿人機(jī)器人的反饋控制結(jié)構(gòu)分析,這四種機(jī)器人都有使機(jī)器人的穩(wěn)定行走的控制環(huán)節(jié)。其中Asimo、HRP、KHR仿人機(jī)器人由于安裝了力矩傳感器,所以可以測(cè)量到ZMP位置

23、信息,建立ZMP控制器,利用ZMP穩(wěn)定判據(jù)對(duì)機(jī)器人的穩(wěn)定性進(jìn)行判定,同時(shí)它們都利用力矩傳感器設(shè)計(jì)了落地控制器,使機(jī)器人落地平順。這三個(gè)機(jī)器人也安裝了姿態(tài)傳感器對(duì)機(jī)器人的姿態(tài)進(jìn)行控制?？傮w來(lái)說(shuō)這三種機(jī)器人的控制方案類似,只是在細(xì)節(jié)上有些區(qū)別。Darmstadt仿人機(jī)器人上只安裝了姿態(tài)傳感器,沒(méi)有安裝ZMP測(cè)量傳感器,所以無(wú)法直接測(cè)量ZMP位置。它只根據(jù)機(jī)器人的姿態(tài)來(lái)對(duì)機(jī)器人的行走穩(wěn)定進(jìn)行控制,所以控制并不可靠,對(duì)于已確定了行走步態(tài),同時(shí)在平地上行走的情況下還可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制,但只要環(huán)境一變就不行了。所以Darm-stadt仿人機(jī)器人控制器的通用性比較差。3步行控制有待研究的內(nèi)容Asimo、HRP

24、、KHR和Darmstadt仿人機(jī)器人都是當(dāng)今世界上設(shè)計(jì)比較成功的仿人機(jī)器人,通過(guò)控制使機(jī)器人都實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的行走,其控制方法對(duì)其他研究學(xué)者有很好的借鑒意義。3.1當(dāng)前仿人機(jī)器人反饋控制方法存在的問(wèn)題目前仿人機(jī)器人的行走都是在平地環(huán)境下進(jìn)行的,在非平整路面的研究還很少。所以在控制環(huán)節(jié)應(yīng)該對(duì)非平整路面的情況進(jìn)行考慮:(1由于非平整路面主要和落腳階段的控制有關(guān),所以應(yīng)該要對(duì)和落腳階段有關(guān)的控制器的設(shè)計(jì)進(jìn)行更深入的考慮。(2目前仿人機(jī)器人的控制環(huán)節(jié)都有ZMP控制穩(wěn)定判定起作用的先決條件是仿人機(jī)器人的支撐腳要和地面進(jìn)行面接觸,仿人機(jī)器人在非平整路面走的時(shí)候經(jīng)常不會(huì)滿足這個(gè)先決條件,所以在步行的很多時(shí)候無(wú)

25、法用到ZMP控制器,這時(shí)應(yīng)如何利用其他控制環(huán)對(duì)機(jī)器人的穩(wěn)定進(jìn)行控制是有待進(jìn)一步考慮的。仿人機(jī)器人大都在整個(gè)控制環(huán)節(jié)中,設(shè)計(jì)了多個(gè)控制器,但如何處理這些控制器之間相互的影響,在這方面的相關(guān)文獻(xiàn)都沒(méi)有進(jìn)行說(shuō)明。如針對(duì)HRP機(jī)器人,有朝向修正控制器、順應(yīng)控制器和踝部力矩差分控制器,它們都對(duì)踝關(guān)節(jié)的角度進(jìn)行了調(diào)整。這幾個(gè)控制環(huán)之間會(huì)互相影響,如何來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。仿人機(jī)器人大都沒(méi)有考慮機(jī)器人不可控的情況,有時(shí)機(jī)器人在某種姿態(tài)下是一定要摔倒了,控制器再做什么控制都是徒勞的,此時(shí)機(jī)器人是不可控的。如何檢測(cè)到這種不可控的狀態(tài),并進(jìn)行相應(yīng)的有效的控制動(dòng)作,如作出損失最小的倒地動(dòng)作,并在倒地后可以迅速爬起來(lái)。3.

26、2仿人機(jī)器人步行控制有待研究的內(nèi)容從目前仿人機(jī)器人在反饋控制方法中存在的問(wèn)題可知,還有許多研究工作值得去做:(1控制器控制方法的研究。針對(duì)這四種仿人機(jī)器人,控制環(huán)節(jié)都采用了PID控制的思想,針對(duì)簡(jiǎn)單的步行環(huán)境如平地是夠用了。但對(duì)于非平整路面這種復(fù)雜的步行環(huán)境需要對(duì)控制的方法再進(jìn)行考慮。例如在非平整路面,由于腳和地面接觸的情況有多種,可以分為面接觸、線接觸和點(diǎn)接觸,在機(jī)器人前進(jìn)時(shí)需要對(duì)地面進(jìn)行多種情況的考慮,所以此時(shí)引入模糊控制的思想會(huì)更合適些。(2步行穩(wěn)定方法判據(jù)的選擇。目前機(jī)器人都是利用ZMP傳感器測(cè)量到ZMP信息,根據(jù)ZMP信息控制機(jī)器人的實(shí)際ZMP點(diǎn)位置接近理想的ZMP位置點(diǎn)。但實(shí)際上由

27、于機(jī)器人在行走,尤其是在非平整的路面上行走時(shí),腳底不是和地面進(jìn)行了面接觸,所以此時(shí)不能用ZMP控制器。在這種情況下,根據(jù)機(jī)器人的步行階段、姿態(tài)傳感器信息和ZMP傳感器信息如何得到一種判定機(jī)器人步行穩(wěn)定的新方法有待進(jìn)一步研究。(3仿人機(jī)器人的倒地檢測(cè)和控制。仿人機(jī)器人在步行的時(shí)候,在某種姿態(tài)下是一定要摔倒的,控制器再做什么控制都是徒勞的,此時(shí)機(jī)器人是不可控的。如何利用步行階段、姿態(tài)傳感器信息和ZMP傳感器信息檢測(cè)出這種不可控狀態(tài),并采取相應(yīng)的倒地控制動(dòng)作,在這方面需要開(kāi)展研究。(4傳感器采集信息準(zhǔn)確性的研究。在反饋控制中,需要獲得準(zhǔn)確的測(cè)量值信息,才能得到好的控制結(jié)果。所以可以采用濾波和信息融合

28、的思想使傳感器數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。這方面有很多內(nèi)容需要去研究。(5仿人機(jī)器人多個(gè)控制環(huán)相互關(guān)系的研究。仿人機(jī)器人穩(wěn)定控制中常采用多個(gè)控制環(huán),這些多個(gè)控制環(huán)可能對(duì)同一個(gè)控制參數(shù)造成影響,如在ZMP穩(wěn)定控制器和姿態(tài)控制器中都要對(duì)髖關(guān)節(jié)的位置造成影響,為了同時(shí)滿足這兩個(gè)控制器,髖關(guān)節(jié)應(yīng)取怎樣的數(shù)值。多個(gè)控制環(huán)相互關(guān)系這方面做的研究很少,所以實(shí)現(xiàn)對(duì)有相關(guān)關(guān)系的控制環(huán)進(jìn)行成功解耦有很多工作值得去研究。4總結(jié)以典型的反饋式機(jī)器人為描述對(duì)象,反映了仿人機(jī)器人反饋控制步態(tài)規(guī)劃目前已在仿人機(jī)器人步態(tài)穩(wěn)定行走過(guò)程中得到了較好的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在平地環(huán)境下的穩(wěn)定行走。但針對(duì)非平整路面, 入研究,同時(shí)仿人機(jī)器人多個(gè)控制環(huán)

29、內(nèi)部解耦關(guān)系的研究和多傳感器信息融合方面的研究還有待進(jìn)一步探討。參考文獻(xiàn):1Huang Q,Yokoi K,Kajita S,et al.Planning walking patterns fora biped robotJ.IEEE Transactions on Robotics and Automa-tion,2001,17(3:280-289.2Hirai K,Hirose M,Haikawa Y,et al.The development of HondarobotC/Proceedings of the1998IEEE International Conference on Rob

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