小型仿人机器人行走碰撞动力学建模及补偿控制策略研究

摘要

仿人机器人是当前国内外机器人领域的研究热点，实现仿人稳定行走是仿人机器人研究中的关键环节。针对仿人机器人行走过程中，摆动脚落地碰撞影响机器人稳定行走的关键难题，本论文以BJHR-Ⅰ样机为基础，开展了碰撞动力学建模、落地碰撞补偿控制策略研究。具体研究工作如下：
　　(1)简化样机结构，减轻样机重量，改进下肢结构，改进了小型仿人机器人样机本体，实现了基本步行功能；在下肢髋、膝、踝三个前摆关节处安装关节位置传感器，实现对关节角度的检测：在脚底板处安装应变式压力传感器，测量脚底地面反力。
　　(2)抽象简化样机下肢为七杆模型机构；基于第二类拉格朗日方程，建立了仿人机器人碰撞动力学隐式方程和显式方程。运用Matlab软件，将机器人样机步态参数代入显式方程，计算得到行走过程中的速度、动能、行走碰撞力的理论值，并与Adams仿真软件进行参数对比，证明了所建立碰撞动力学模型正确。
　　(3)研究了落地碰撞补偿控制策略，提出并设计了基于BP神经网络的粒子群算法的关节补偿控制器。以碰撞力误差和摆动脚距地面高度误差作为控制器输入，通过粒子群算法优化BP网络的权阈值，并按照所设计的关节角度补偿控制规则，优化计算得到补偿后的关节角度值，实现对下肢三个前摆关节角度的碰撞补偿控制。
　　(4)样机实验结果证明：样机本体改进有效；所设计仿人机器人行走碰撞补偿控制策略可有效减小摆动腿落地时所产生的冲击力，关节碰撞补偿控制器在一定程度上减弱了由于落地冲击所带来的样机关节角度的变化；达到了减小落地碰撞力的目的，样机行走稳定性能提高。