英语原文共 6 页

基于捕获点理论仿人机器人的步进平衡控制策略

王飞，刘柳，刘建华，赵成英

信息科学与工程学院

东北大学 中国沈阳

wangfei@ise.neu.edu.cn

摘要

相比其它机器人，双向机器人因其广泛的应用程序具有快速运动能力和良好适应复杂的环境，所以被广泛的研究。在过去，步态规划和平衡控制是两大主要研究领域，但是在本文中，主要研究仅集中在站立机器人和实现Nao机器人的平衡控制策略。首先，当机器人处在刚度控制上时，分析稳定区域，并且计算基于具有支撑计划的倒立摆模型的踏步策略的开始条件。其次，根据轨道能量理论的单倒立摆模型计算捕获点。最后，根据先前的研究工作通过步态规划实现向前步进运动。所提出的方法应用于Nao机器人，用来研究步进平衡控制并且步态成功。

关键字：仿人机器人; 平衡控制; 倒立摆模型; 轨道能量; 捕获点理论

1 引言

随着机器人硬件结构和传感器的发展，近年来已经提出了许多有效的平衡控制方法。机器人干扰控制和平衡恢复主要在生物学和机器人领域研究[1-3]。Kanzaki.S假定当机器人在正常生活空间中工作时，它可能与人或周围的物体碰撞。碰撞后，采用预测控制方法保持平衡[4]。Kentaro Takahashi应用由Kazuya Yoshida提出的RNS理论[5,6]以控制带浮基础的机械臂,实现机器人平衡控制。Kanehiro.Fetal研究了机器人下落过程中的冲击力影响，并提出了一种控制算法来补偿冲击力[7]。Morisawa，M.使用包括倒立摆模型（AMPM）的角动量来分析在行走过程中由外力引起的角动量影响，并提出了一种反馈控制方法来抵抗这种角动量[8]。Baek-Kyu Cho根据外力的大小提出了两种控制策略 [9,10]。来自上海交通大学的王徐扬使用加速度映射方法来保持机器人动态平衡[11]。在[12],提出了一种在连续扰动下机器人的站立平衡控制方法。首先，扰动被认为是恒定的外力，然后通过优化来确定预期的控制状态。结合基于轨迹库的站立平衡控制方法，可以在连续扰动下实现更稳健的站立平衡控制。在[13]和[14]中，Ono，H.，T. Sato和K. Ohnishi根据干扰力的大小提出了两种控制策略。如果外力小，机器人使用踝关节力矩控制策略保持平衡。当外力较大时，应用姿势平衡和定位点调整控制策略以保持机器人平衡。德国学者Christian Ott提出了一种通过调整质量中心位置和躯干方向的平衡控制方法。如果有外力，控制器将计算恢复位置扭矩，然后扭矩影响到预定点。还有其他控制方法如踝关节和髋关节的策略[15]

本文提出了基于捕获点理论和轨道能量的步进平衡策略。 与上述其他平衡策略相比，当机器人暴露于较大的外界在线干扰力时，捕获点理论可以计算作为机器人的立足点的捕获点，其更类似于人类反应。在有限的迈步中，它可以抵抗任何水平的外力，使机器人更好的适应人类环境。若干实验验证了所提出的方法的有效性。本文的组织如下：在第2节中，介绍了捕获点理论。 在第3节中，分析了基于轨道能量和倒立摆模型的阶跃策略的起始条件，并计算了基于具有支撑平面的单个倒立摆模型的捕获点。在第4节中，通过实验验证了所提出的方法，并获得了令人满意的结果。 最后一节给出了结论并讨论了未来的工作。

2 捕获点理论的介绍

Pratt等首先提出了捕获点的理论[16]，详细的相关定义和推导可以在[17]和[18]中找到。捕获点可以被理解为双足机器人可以达到捕获状态的下一个立足点。捕获状态是机器人可以达到的稳定状态。由于复杂的结构，强耦合，多链路和冗余DoFs，双足机器人的运动学和动力学特性非常复杂。

为了研究两足动物机器人的步态规划，我们需要简化模型。 最常用的两足机器人模型是具有点脚的单倒立摆模型，如图1所示。

图1：具有点脚的三维倒立摆模型

具有点足运动方程的三维线性倒立摆可以表示为：

公式（1）

无质量连杆满足瞬时平衡的要求：

公式（2）

在方程中，m是质量。是质心（COM）的位置。是对颗粒的力影响。是踝的位置。假设3D-LIPM的质量集中在其质心，并且它将保持在Z = Zo。因此，和我们记，这可以代入（1）。然后，我