基于仿人机器人控制扩展轨道能量的碰撞避免方法

基于仿人机器人控制扩展轨道能量的碰撞避免方法

基于仿人机器人控制扩展轨道能量的碰撞避免方法

  • 适用:本科,大专,自考
  • 更新时间2024年
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基于仿人机器人控制扩展轨道能量的碰撞避免方法
基于仿人机器人控制扩展轨道能量的碰撞避免方法   机械毕业设计
摘要:本文介绍了一种基于仿人机器人控制扩展轨道能量的的碰撞避免方法。当机器人使用臂末端检测到障碍物时,应立即做出短暂的停止,以避免冲击障碍。然而,踝关节力矩的修改可能会破坏步行运动。我们提出一个方法,利用手臂力使该机器人停止。通过在行走过程中控制臂的力修改重心轨迹。在该机器人臂的前端与障碍物之间的接触后的2个步骤内停止。在第一步骤中, 通过改变臂力量使重心速度减少。在这里,臂力由扩展的轨道能量决定。在第二步骤期间,机器人停止在支承点的正上方。此外,机器人停止时,臂力平滑变为0。在结果中,机器人能够轻松地切换到下一个动作后停止。
关键词: 扩展轨道能量  避障  线性倒立摆模型  重心轨迹 
 
一、引言
目前,人形机器人的研究是最令人兴奋的机器人话题之一。其中一个人形机器人的最重要的特点是,它们能够踩在任意的点着陆。当机器人行走在人的环境中时,机器人行走有许多障碍,如:洞、台阶和碰撞。人形机器人有跨过这些障碍的能力。从这个角度来看,在人的崎岖的地形环境中,双足人形机器人行走优于车轮或履带机器人。
大约30年时间里,在人形机器人的研究都集中很多在行走本身。Kajita等,提出线性倒立摆模型(LIPM)[1]。他们还提出了轨道能量的内容来判别机器人是否进入到下一个步骤中。 Harada等。提出实时步态规划[2]。在该方法中,步态快速和平稳的变化是能够实现的。其结果是行走的人形机器人接近于人类。此外,两足机器人已经可以跑步[3]。
当人形机器人在人类环境中执行复杂的任务时,上体和下体之间的协同运动是必要的。过去十年中协同运动已经进行了讨论。
当机器人在人类环境执行更复杂的任务,有很多的物体它们无法跨越。这里,物体被分为两组,可移动和不可移动的。当对象是可移动如:转向架,机器人需要推的动作。 Harada等,所提出的方法用于推动一个未知质量的物体[5]。在该方法中,类人机器人行走的时候在双支撑阶段推不明物体和行走的时候单支撑阶段推对象。作者提出通过修改零力矩点(ZMP)命令和周期时间的方法,在行走过程中推不明物体[6]。
同时,当对象是不可移动如:墙壁,为了避免碰撞,机器人必须停止。森泽等,提出机器人检测到对象时的,实时[7]紧急停止算法,。他们认为机器人探测物体不接触这是可能的。 Kaneko等,提出了一种人型机器人运动悬挂系统[8]。即是上悬挂的判断和悬挂运动算法。 Ohashi等人,提出机器人通过生成手臂力[10] 的方法,停止在对象前面。他们提出了扩展的线性倒立摆模型(ELIPM)。此外,他们扩展了轨道能量,并用来检测机器人是否能够差一点就接触到对象。
在本文中,当对象是不可移动的时候,我们提出了一个避免碰撞的方法。正如上面提到的,有很多机器人推物体的研究。然而,没有在行走时,通过改变手臂力来控制延伸轨道能量(EOE)的研究。不改变踝关节的扭矩控制修改扩展轨道能量。在这里,我们提出了一种基于扩展轨道能量改变手臂力的方法[9]。
在该方法中,机器人在两步之内停止在对象的前面。此外,当机器人停止时,臂力等于0并且机器人的 重心在支撑点上面。因此,机器人很轻易就能在停止后切换到下一个动作。
在本文中,假设该对象和手臂末端之间的接触是稳定的。机器人没有外部传感器(视觉传感器,超声波传感器,等等)来事先检测对象。机器人能够仅仅在臂接触到它之后,来检测对象。上半身和下半身是机械耦合的。机器人的运动被限制在矢状面内。
本文的结构如下:第二部分介绍了仿人机器人的模型。扩展的线性倒立摆模型( ELIPM )和扩展轨道能量(EOE)在第三节中介绍。第四部分提出控制扩展轨道能量的方法,通过改变基于扩展轨道能量的手臂力。第五和第六部分,通过仿真和实验结果分别证明所提出的方法的有效性。最后,结论是在第七部分介绍。
二、造型
图1表示出了人形机器人的全貌。人形机器人的下半身每条腿有6个DOF(自由度)。人形机器人的上半身每个手臂有4个自由度。在本次研究中,机器人的运动固定在矢状面内。在一个矢状面每条臂有2自由度。 
图2是下半身体的坐标系,是基本坐标系的原点,定义在位于关节面的中心。上标b表示在值。在下文中,仅表示了运动学右腿和右臂。其余左腿和左臂也能够以相同的方式表示。 
逆运动学得出如下:
                           (1)
其中为活动关节向量。 是运动学函数关系,是从脚的位置和姿态到关节的角度。和是各脚的位置矢量和脚的姿态的方向矩阵。
雅可比矩阵的平行连杆机构,定义如下:
                             (2)
其中是腿的雅可比矩阵,是脚的角速度矢量。在这里,平行连杆机构的雅可比矩阵与一个串行链路的机构不同。腿的运动学和动力学的详细内容在[10]。
上半身的模型示如图3所示,臂的雅可比矩阵,表示如下:
                        (3)
参考文献
[1]S.Kajita,T.Yamamura,and A.Kobayashi,“Dynamic Walking Control of a Biped Robot Along a Potential Energy Conserving Orbit”IEEE Trans. on Robotics and Automation,Vol.8,No.4,pp.431–438,1992
[2]K.Harada,S.Kajita,F.Kanehiro,K.Fujiwara, K.Kaneko, K.Yokoi and H.Hirukawa, “Real-Time Planning of Humanoid Robot’s Gait for Force Controlled Manipulation” in Proc. of IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, vol. 1, pp. 616–622, 2004
[3]T.Nagasaki, S.Kajita, K.Kaneko, K.Yokoi and K.Tanie, “A Running Experiment of Humanoid Robot” in Proc. of IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robotics and System (IROS 2004), Vol. 1, pp. 136–141, 2004
[4]Yoonkwon Hwang, A.Konno and M.Uchiyama, “Whole Body Cooperative Tasks and Static Stability Evaluations for a Humanoid Robot” in Proc. of IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems, vol. 2, pp. 1901–1906, 2003
[5]K.Harada, S.Kajita, K.Kaneko and H.Hirukawa, “Walking Motion for Pushing Manipulation by a Humanoid Robot” Journal of the Robotics Society of Japan, vol. 22, No. 3, pp .392–399, 2004
[6]N.Motoi, M.Ikebe and K.Ohnisi, “Real-Time Gait Planning for Pushing Motion of Humanoid Robot” in Proc. of IEEE industrial electronics society, pp. 1809–1814, 2005
[7]M.Morisawa, S.Kajita, K.Harada, K.Kaneko, F.Kanehiro, K.Fujiwara and H.Hirukawa, “Emergency Stop Algorithm for Walking Humanoid Robot” in Proc. of the 23rd Annual Conf.
[8]of the Robotics Society of Japan, vol. 23rd, pp. 2F22, 2005
[9]K.Kaneko, F.Kanehiro, M.Morisawa, S.Kajita, K.Fujiwara, K.Harada and H.Hirukawa, “Motion Suspension System for Humanoid” in Proc. of the 23rd Annual Conf. of the Robotics Society of Japan, vol. 23rd, pp. 2F21, 2005
[10]E.Ohashi, T.Aiko, T.Tsuji and K.Ohnishi, “Collision Avoidance
Method of Humanoid Robot with Arm Force”, in Proc. of IEEE Int. Conf. on Industrial Technology, vol. 2, pp. 1057–1062, 2004
[11]M.Morisawa, Y.Fujimoto, T.Murakami and K.Ohnishi, “An approach to biped robot with parallel mechanism”, Advanced Motion Control, Proc. 6th Int. Workshop, pp. 537–541, 2000
 
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