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仿人机器人具有人类的外形特征,在辅助人类日常生活和工作方面具有巨大的优势。仿人机器人的快速作业能力,尤其是在动态、非结构化环境中的快速作业能力,是仿人机器人实用化的必备条件。
目前的仿人机器人由于自身机构尺寸的限制,导致关节驱动能力不足,从而动作规划难以有效地执行,并实现快速稳定的作业。本文以仿人机器人快速作业为目标,围绕关节驱动控制、动作轨迹规划、以及关节驱动与动作规划的匹配等关键问题展开研究,主要研究内容和成果如下:首先,根据人体生物力学特性以及仿人机器人在人类生活环境中快速作业的任务要求,建立仿人机器人模型。
在此基础上,分析了仿人机器人快速作业的任务需求,提出关节驱动控制和动作轨迹规划匹配研究实现仿人机器人快速作业的方案。并且根据该需求设计了满足仿人机器人快速作业应用的控制系统。
其次,通过分析人体快速作业过程中关节的运动规律,以电机驱动关节为基础,提出了基于瞬时能量的仿人机器人关节驱动控制器设计思路。针对仿人机器人快速作业对于关节瞬时输出能力的需求,建立关节控制模型,设计了由电流积分确定的电机瞬时能量控制算法,通过该控制算法可以极大地提升关节的瞬时功率。
同时为了适应高功率输出状态时关节负载的剧烈波动,采用模糊控制方法提高控制精度。针对仿人机器人系统所要求的小型、轻量、高速度和高精度等关键问题,通过软硬件结合完成关节驱动控制器的设计。
再次,以仿人机器人乒乓球快速击打运动为例,针对在关节驱动能力的前提下,同时满足作业任务和稳定性的要求,研究能量最优的动作规划方法。在满足击球任务要求的前提下,为了降低机器人关节执行动作轨迹的难度,采用能量最优的策略,确定使机器人作业手臂速度最小的末端姿态和内部关节配置,从而使机器人在快速击打运动中能耗最小。
根据作业时刻任务要求,采用能量最优方法,对仿人机器人乒乓球快速击打运动初始姿态、作业时刻手臂运动状态进行配置,同时产生运动过程中手臂各个关节的动作轨迹。第四,针对充分利用关节驱动输出能力完成仿人机器人快速作业规划的目的,研究关节驱动与动作规划的匹配方法。
分析本文方法得到的仿人机器人关节驱动能力特性,并以此建立约束函数。以快速行走为例,在关节驱动能力约束条件下,利用相似性函数完成关节驱动特性和动作规划的匹配,并产生优化实施的仿人机器人快速行走运动轨迹。
同时采用关节驱动补偿动作规划执行误差的方法,减小关节运动误差,使仿人机器人更有效地实现快速作业。最后,对本文提出的关节驱动和动作规划方法进行了实验验证。