基于三连杆动力学模型的仿人机器人站立平衡控制

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基于三连杆动力学模型的仿人机器人站立平衡控制

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2016-12-7 14:07 上传

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基于三连杆动力学模型的仿人机器人站立平衡控制

朱秋国1, 伍浩贤1, 吴俊1, 熊蓉1,2

1. 浙江大学工业控制技术国家重点实验室, 浙江 杭州 310027; 2. 浙江省软体机器人与智能器件研究重点实验室, 浙江 杭州 310027

Standing Balance Control of Humanoid Robot Based on Three-link Dynamic Model

ZHU Qiuguo1, WU Haoxian1, WU Jun1, XIONG Rong1,2

1. State Key Laboratory of Industrial Control Technology, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China; 2. Key Laboratory of Soft Machines and Smart Devices of Zhejiang Province, Hangzhou 310027, China

摘要 为了解决仿人机器人抗扰动站立平衡控制问题，提出了一种三连杆动力学模型作为仿人机器人的简化模型，该模型充分考虑了机器人腿部、身体和手臂的连杆分布质量，相比于传统的线性倒立摆模型或者飞轮倒立摆模型具有更高的精确性．基于这种模型，设计了仿人机器人的站立抗扰动平衡控制器．首先将仿人机器人模型简化为三连杆动力学模型，通过参数辨识方法获取结构化的参数，并经过线性化处理，将复杂的非线性动力学模型线性化．然后采用线性二次调节器（LQR）设计机器人的平衡控制器．实验在仿人机器人KONG-II上进行，通过将机器人踝关节设置成具有一定阻尼特性的欠驱动状态，来实现三连杆动力学模型的形式．实验结果对比了机器人采用两连杆动力学模型和三连杆动力学模型时的抗外力扰动性能，验证了本文方法的有效性和鲁棒性． 关键词 ： 仿人机器人,  站立平衡控制,  三连杆动力学模型,  线性二次调节器    Abstract：In order to solve the anti-disturbance control problem for humanoid robot standing balance, a three-link dynamic model is proposed as the simplified model of humanoid robot, in which the distributed mass of the leg, body and arm on their links is considered. Thus, the model will be more accurate than the traditional linear inverted pendulum or the plus flywheel model. Based on this model, an anti-disturbance controller is designed for humanoid robot standing balance. Firstly, the humanoid is simplified as the three-link model, the structural parameters are obtained by parameter identification method, and the complex nonlinear dynamics model is linearized by linearization. Then, the balance controller is designed by using the linear quadratic regulator (LQR). The experiments are carried out on the humanoid robot KONG-II, and the ankle joint is set up as an under-actuated state with certain damping characteristics to match the three-link model. By comparing the anti-disturbance performance of the robots with double-link dynamic model and with three-link dynamic model, the effectiveness and robustness of the proposed method are verified. Key words： humanoid robot           standing balance control           three-link dynamic model           LQR (linear quadratic regulator) 收稿日期: 2016-03-29      出版日期: 2016-06-28 1: TP273 基金资助:国家自然科学基金（51405430，61473258，U1509210）；浙江省公益技术项目（2016C33G2010137） 通讯作者: 朱秋国，qgzhu@iipc.zju.edu.cn    E-mail: qgzhu@iipc.zju.edu.cn 作者简介: 朱秋国（1982-），男，助理研究员．研究领域：仿人机器人，机器人建模、运动规划和平衡控制． 伍浩贤（1989-），男，硕士生．研究领域：仿人机器人运动规划和平衡控制． 吴俊（1967-），男，教授，博士生导师．研究领域：仿人机器人，机器人建模与运动规划，线性鲁棒控制． 引用本文:    朱秋国, 伍浩贤, 吴俊, 熊蓉. 基于三连杆动力学模型的仿人机器人站立平衡控制[J]. 机器人, 2016, 38(4): 451-457.         ZHU Qiuguo, WU Haoxian, WU Jun, XIONG Rong. Standing Balance Control of Humanoid Robot Based on Three-link Dynamic Model. ROBOT, 2016, 38(4): 451-457.