小型仿人机器人MIH-I机构设计和步行控制的研究

摘要

仿人机器人的研究和应用一直是智能机器人领域最活跃的研究热点。目前，国内研究机构对于身高低于800mm的小型仿人机器人研究甚少，为了满足当前以小型化、多功能、低成本、家用化为目标的仿人机器人研究的迫切需要，我们开发了小型仿人机器人样机MIH-I。 本文对人体结构和关节运动特征进行了研究和分析，根据人体的结构特点，对MIH-I机器人的关节进行了选型和设计，对自由度进行了合理配置并通过改变部分关节连接方式来优化机构。同时分析了双足机器人在步行时各关节力矩变化情况，提出了采用扭簧机构对关节力矩进行补偿。采用这种机构能有效地优化电机力矩输出曲线，起到了提高步行稳定性的效果。动力学建模是研究仿人机器人步行控制的基础，本文在机器人学中已建立的较为成熟的运动学和动力学模型基础上，并考虑到MIH-I 机器人自身的特点，采用牛顿－欧拉法得到递归形式的动力学方程。本文还讨论了两种双足机器人与地面之间反力的数学模型，为其步行控制提供地面反力模型。仿人机器人是一个复杂的非线性、强耦合系统，很难对其建立精确模型，同时双足行走本身是不稳定的运动模式，易受到内外不确定扰动的影响，因此需要采用反馈控制的方法对误差进行补偿，本文提出了一种基于传感器信息的模糊控制器的设计思路，用遗传算法（GA）结合单元映射（CCM）的方法进行全局最优控制规则集搜索，得到优化的模糊控制器能够较好地控制ZMP点在稳定区域内，仿真实验结果表明了此方法的有效性。