仿人机器人的跑步研究学习笔记1之机器人的基础知识

1.仿人跑步机器人稳定性

在起跳级阶段，由于机器人一只脚着地，根据D’Alembert原理推出，机器人的ZMP必须位于支撑脚底和地面接触面内，在飞行阶段，机器人双脚离地，为了不使机器人，在空中翻转，必须是机器人在支撑脚离开地面时，身体各个部分的对机器人整体质心的动量矩之和为零或接近零。（详细参考黄强的分析）

2.机器人落地冲击地面问题

根据目前对碰撞问题的研究，假定碰撞作用时间很短，且碰撞力很大，此时的惯性力等都可以忽略不计；脚底与地面的碰撞时非弹性碰撞，由此得出在碰撞现象发生瞬间,机器人支撑腿各个关节的角速度会发生不连续的变化,但它们角位移变化连续,然后根据拉格朗日动力学方程,便可以推出冲击作用前后机器人相关广义速度变化公式。

机器人与地面碰撞的缓冲：a.在脚底加橡胶垫减震，b.或使用弹性腿部结构，c.利用电机的反向力矩控制

3.仿人跑步机器人控制

3.1离线规划加在线控制方法

即各关节采用PID闭环控制，主控制向各关节控制器发送对应的位置，实现解耦和分布式控制策略。其缺点是当环境变化时，他只能对参考轨迹进行少量的修改

3.2集成运动控制方法

即基于动力学滤波器的概念，在机器人满足动力学约束的调价下，实时产生机器人的下一个运动周期各个关节的轨迹，以便使机器人在平衡环境对它所施加的力和力矩。

3.3分解动量控制方法

即根据机器人在跑步时,其各部分对于整体质心的动量和动量矩满足一定的条件而实施控制的。当机器人实现三维跑步动作时,对其质心的动量和动量矩共六个分量(即动量和动量矩分别沿X，Y，Z轴各有三个分量),首先推导动量!动量矩和身体每个关节的关系式,然后确定在跑步时所需要的参考动量和动量矩,就可以根据推导出的关系式得到机器人各个关节的轨迹,进而对机器人的跑步动作进行控制。

3.4基于反馈线性化技术（计算力矩）的控制方法

控制方法对机器人的拉格朗日动力学方程进行线性化，根据一定的跑步步态参数和各个关节轨迹，通过线性化的动力学方程可以显式求解出各个关节需要的控制力矩。

由于机器人的动力学方程是高非线性!高祸合的模型,在采用线性化技术后，就可以采用线性PD控制策略来对机器人进行控制。这个方法的优点是利用了非线性动态模型得到渐进

稳定的闭环控制器。和第一种控制器比较，这些控制器既不是分布的也不是解耦的。

4.机器人运动学分析

D一H齐次矩阵变换法，通过引入D一H变换规则构造相邻坐标系间的齐次变换矩阵,然后从第一个杆件依次递推,即可得到机器人各个杆件的运动学量。对于逆运动学

分析，主要根据机器人质心轨迹、双脚轨迹和双臂轨迹等己知量，通过坐标转换矩阵和运动学约束，建立一组非线性方程组，然后采用牛顿一拉斐逊(Newton一Raphson)数值

迭代算法,求出机器人各关节运动学参数的数值解。这种方法的优点是:在分析逆运动学时,可以方便地根据机器人质心实际位置求得各关节运动学参数,并考虑到机器人实际质心不

固定于髋关节处,提高跑步步态规划精度。