仿人跑步機器人穩定性研究

趙子儐

(上海理工大學 機械工程學院，上海 200093)

仿人跑步機器人穩定性研究

趙子儐

(上海理工大學 機械工程學院，上海 200093)

針對仿人跑步機器人跑步過程中不易控制、容易跌倒的問題，將機器人跑步過程分為起跳、飛行兩個階段，分別采用ZMP與角動量定理進行穩定性分析。在起跳階段，推導出機器人ZMP軌跡的計算公式，飛行階段的角動量與起跳階段的起跳瞬間角動量相同，因此根據起跳瞬間的角動量大小判斷機器人在飛行階段是否會發生翻轉。仿真結果顯示，機器人起跳階段ZMP軌跡始終位于機器人的支撐多邊形之內，飛行階段的動量矩為0.01 kg·m2/s,說明機器人能夠保持穩定。

跑步機器人；穩定性；ZMP；角動量

跑步機器人研究開始于上世紀80年代，最早的是Raibert 等人[1]，Raibert團隊采用數種方法研制出跳躍機器人，這些方法為后來機器人的動態研究提供了早期的原則[2]。近年來跑步機器人研究受到越來越多的重視[3-5]，2003年以后相繼有日、美、法、韓等國成功研制出數款跑步機器人，比如日本的Asimo，Athlete機器人。國內仿人跑步機器人研制還處于實驗室研究階段，目前還沒有研制出仿人跑步機器人樣機。清華大學陳懇、付成龍等人提出了跑步機器人截面穩定性判據[6]；哈爾濱工業大學洪炳熔等[7]研究了跑步機器人的基本運動模型以及控制方法；上海交通大學雷旭升[8]等以最小能量方程為優化了跑步機器人運動軌跡。

仿人跑步機器人腳掌和地面之間存在單邊約束，這種雙足系統本質上是不穩定的系統[9]，同時仿人機器人機械結構復雜，因此不易控制[10]、穩定性差。……