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仿人机器人除了外形具有人类的相似特征外,还具有双足步行这一区别于其它机器人的移动方式,该特点使得它受环境的制约小且灵活性较高。因此仿人机器人近几年来的相关研究受到各国学者的广泛关注。为了提高仿人机器人的行走稳定性,步态规划和稳定性研究是仿人机器人关键的技术问题。其中,仿人机器人的步态规划是步行控制的基础,步行控制是实现步态规划保证。因此本文以仿人机器人为研究对象,采用matlab为仿真实验平台,系统研究了仿人机器人的步态规划技术和步行稳定控制方法。本文的内容分为以下几个方面: 1.采用Nao机器人为对象,首先根据其连杆模型建立相应的坐标系,然后应用D-H法则与拉格朗日方法对其进行推导,建立了描述相等自由度的正运动学和动力学的方程,同时以机器人腿部关节的几何关系,用解析法建立了逆运动学方程。根据动力学方程阐述了ZMP的定义,并以此为基础研究仿人机器人在步行过程中的稳定条件,得出ZMP稳定性判据。 2.在分析传统的步态规划方法上,根据仿人机器人下半身踝、髌、膝关节在起步、脚掌离地达到最大高度、脚掌落地时的位置,采用三次样条函数插值算法分别规划仿人机器人在径向平面与侧向平面中,踝、髌、膝等主要关节的轨迹,得出仿人机器人直线步行时的棍状图。 3.以仿人机器人直线步行时单,双脚支撑期ZMP到稳定区域中心的距离为待优化变量,构造目标函数,利用微粒群优化算法对ZMP轨迹进行优化,得到在约束条件下具有最大稳定裕度的ZMP轨迹。 4.在对步态优化后进行了机器人稳定性控制研究,控制对象为仿人机器人的踝关节和肩关节,对机器人ZMP位置影响最大的踝关节采用跟踪其运动轨迹的控制方法,该方法首先根据机器人的步行特点设计模糊控制器,然后采用matlab的模糊工具箱进行推理计算,以最终的仿真结果验证设计的模糊控制器的有效性。对肩关节控制采用规划双臂摆动轨迹法,该方法首先通过ZMP位置与偏摆力矩的函数关系,算出偏摆力矩的大小,然后通过规划双臂摆动的参数化轨迹计算出与偏摆力矩方向相反的双臂摆动力矩,并用此力矩与偏摆力矩的差构建目标函数,通过对此目标函数最小值的寻优来求得能使偏摆力矩最小的双臂摆动轨迹。通过内环的的踝关节模糊控制器与外环的双臂摆动步行控制方式来增强机器人行走中的抗摔倒、抗干扰能力。