摘 要

机器人是一种仿照人体外形，可以完成特定工作的机器。机器人最基本的动作是稳定行走，站立等等。然而机器人不仅是一个非线性的不稳定系统，而且具有多变量，强耦合特性^[1]。所以机器人的平衡维持及恢复的研究就显得格外有意义。本文以NAO机器人为研究平台，课题为基于踝关节策略的NAO机器人平衡控制方法的研究与实现。

本文主要研究机器人静止下受外界干扰力后的平衡维持与恢复。首先针对不同大小的外界干扰力，分析不同策略下的稳定区域的大小，判定采取哪一种平衡维持策略。常见的机器人平衡维持和恢复的策略有踝关节策略，髋关节策略及迈步策略等^[2]。本文研究的是NAO机器人在静止站立的情况下，受到较小的外界干扰力而采取的踝关节策略的平衡维持和恢复的方法。通过采取角动量守恒的方法来计算外界的干扰力。采取线性倒立摆模型来分析其稳定区域。本文只考虑踝关节，其他关节处于锁定状态。采用点判据来判断机器人是否处于瞬间稳定状态。通过控制踝关节的刚度来控制踝关节的力矩。

关键字：NAO机器人，踝关节策略，线性倒立摆模型，，角动量守恒

Abstract

The robot is a machine that is modeled on the human body and can be used to complete a particular job. The most basic action of robot is stable walking, standing and so on. However, the robot is not only a nonlinear unstable system, but also has a multivariable, strong coupling characteristics^[3]. So the balance of the robot to maintain and restore the study is particularly meaningful..In this paper, the research and implementation of the NAO robot balance control method based on the ankle joint strategy is based on the NAO robot .

This paper mainly studies the balance maintenance and recovery of the robot after being disturbed by external disturbance.First of all, for different sizes of external interference, we analyse the size of the stability of the region under different strategies to determine which balance strategy to use.Common Robot Balance Maintenance and Recovery Strategies have ankle tactics, hip strategies and walking strategies^[4]. In this paper, we study the method of maintaining and restoring the ankle joint strategy of NAO robot in the case of stationary standing, subjecting to less external disturbance. In this paper, we take the method of conservation of angular momentum to calculate the external disturbance force. The inverted pendulum model was used to analyze the stable region^[5]. This article only consider the ankle joint, other joints in a locked state. Using the criterion to determine whether the robot is in an instant stable state. The moment of the ankle joint is controlled by controlling the stiffness of the ankle joint.

Key words: NAO robot, ankle joint strategy, linear inverted pendulum model, , angular momentum conservation

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 机器人研究背景 1

1.2 机器人平衡研究的现实意义及应用价值 1

1.3 当前国内外研究状况 2

1.3.1国外研究状况 2

1.3.2 国内研究状况 4

1.4 全文内容分布 5

第2章 踝关节策略理论知识 6

2.1 常用的平衡策略 6

2.2 机器人的平衡判据 6

2.3 平衡控制的理论基础 7

2.3.1 线性倒立摆模型 8

2.3.2 建立动力学方程 9

2.3.3 动力学分析 10

2.3.4 静力学分析 11

2.4 NAO机器人简介 12

第3章 踝关节策略下平衡区域分析 16

3.1 站立时自稳定区域 16

3.2 踝关节策略下的自稳定区域 18

3.3 小结 20

第4章 踝关节策略下机器人平衡的实现 21

4.1 外界干扰力的计算 21

4.1.1广义逆矩阵求解 22

4.2 计算机器人的ZMP点 22

4.3 机器人恢复初始状态的实现 24

第5章 总结与展望 28

5.1 全文总结 28

5.2 未来展望 28

参考文献 29

致谢 30

第1章 绪论

1.1 机器人研究背景

“机器人”一词，最初是出现在科幻小说《罗萨姆的机器人万能公司》中的，原意大概为“劳役、苦工”。机器人作为上世纪以来最大的发明之一，受到全世界研究界的关注，尤其在上世纪50年代后，大量的机器人研究成果不断涌现。机器人作为一种可以听人指挥的智能装置，或者通过编程，在恶劣的环境下完成人类无法完成或者危险的任务。当前最流行的是仿人机器人，仿人机器人是一种高度模拟人类身体结构的智能机器人，它拥有可以快速行走的双足，相对于传统的轮式或履带机器人，它具有更强的灵活性和适应环境能力，尤其是在恶劣的坏境，如地面崎岖的情况下，其优势更加明显。

机器人是一门涉及多领域的学科，仿人机器人的外形设计涉及生物学和结构学，编程涉及计算机和人工智能，运动涉及动力学和逆运动学等等。它是集生物学，计算机，传感器，人工智能，动力学，结构学等等多学科的一门科学。新世纪来，双足机器人的发展包括复杂的数学建模，数字仿真系统，各种电机控制和复杂算法设计。

现在，机器人研究领域的活动广泛，从算法控制机器人完成各种任务外，最有名的是机器人杯大赛。此外，机器人还用于娱乐活动，监测以及工作方面。

但是双足机器人本身是一个不稳定系统，因此，实现机器人的平衡是研究机器人的最基本的前提。近年来，双足机器人在静止状态下和行走状态下的机器人平衡策略在全世界范围内得到了广泛的研究，也得到了广泛的成果。当然，机器人研究的长远目标是让机器人拥有自己的思想和感情。

1.2 机器人平衡研究的现实意义及应用价值

双足机器人因其具有更好的灵活性，更强的适应恶劣环境的能力而受到广泛的关注。双足机器人可以替代人类在太空，核电站，深海等危险区域工作，也可以完成一些枯燥乏味，繁琐复杂的任务。康复机器人也是机器人领域的重要分支，机器人可以帮助病人运动，从而加快病人的康复。其次，随着人类的双手被解放，机器人业开始进入了娱乐业，机器人以其可爱的外形，灵活的动作赢得了人们的喜爱。它对于解放人类本身和改善人类生活具有极大的意义。

1.3 当前国内外研究状况

1.3.1国外研究状况

在机器人研究领域，欧美及日本开始研究时间较早，取得的研究成果也较为丰富，现在仍旧处于研究的前沿。1968年，世界上第一个机器人诞生，是美国通用汽车公司研制的操纵式机器人，取名为Rig，但是它只有两种基本关节：踝关节和髋关节，机器人通过操纵者的力反馈来保持平衡。从此，揭开了机器人研制的篇章。

1969年，日本的早稻田大学研制出第一步行走机器人WAP-1。它拥有6个自由度，像人类一样，每个腿拥有踝关节，膝关节和髋关节三个关节。关节是通过充气的橡胶作为肌肉，通过充气放气来实现关节的转动。在此后的年间，在WAP-1的基础上增加了更多的自由度，同时机器人WAP-5开始具有了传感器，包括视觉，听觉等，实现了在平地，斜坡上正常行走等功能。1986年，早稻田大学研制出了WABIAN-RV仿人机器人，如图1.1它具有类人的外表和身体结构。它的设计目标是使仿人机器人能拥有和人类同样的身体结构，功能和思想等等。

图1.1 WABIAN-RV仿人机器人