仿人機器人驅(qū)動和感知系統(tǒng)的介紹及關(guān)節(jié)控制器的控制算法分析

　　仿人機器人的研制開始于上世紀60年代末，只有三十多年的歷史。1968年，美國的通用電氣公司試制了一臺叫“Rig”的操縱型雙足步行機器人機械。它只有踝和髖兩個關(guān)節(jié)，操縱者靠力反饋感覺來保持機器平衡，從而揭開了仿人機器人研制的序幕。 1968年，日本早稻田大學加藤一郎教授在日本首先展開了雙足機器人的研制工作【6。。1969年研制出WAP．1平面自由度步行機。該機器人具有六個自由度，每條腿有髖、膝、踝三個關(guān)節(jié)。利用人造橡膠肌肉為關(guān)節(jié)，通過注氣、排氣引起肌肉收縮牽引關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動從而邁步。由于氣體的可伸縮性，該機器人行走不穩(wěn)定。1971年，加藤一郎又研制出了WAP．3型雙足機器人，仍采用人造肌肉驅(qū)動，能在平地、斜坡和階梯上行走，具有11個自由度。1971年，加藤實驗室研制出WL．5雙足步行機器人（見圖1．1）。該機器人采用液壓驅(qū)動，具有11個自由度。下肢作三維運動，上軀體左右擺動以實現(xiàn)雙足機器人重心的左右移動。該機器人重130kg，。高0．9m，可載荷30kg，實現(xiàn)步幅15cm，每步45s的靜態(tài)步行。1973 年，加藤等人在wL．5的基礎(chǔ)上配置機械手及人工視覺、聽覺裝置組成自主式機器人WAROT-1。加藤等人于1980年又推出WL．9DR雙足機器人。該型機器人采用預先設(shè)計步行方式的程序控制方法，用步行運動分析及重復實驗設(shè)計步態(tài)軌跡，用以控制機器人的步行運動。該機器人采用以單腳支撐期為靜態(tài)，雙腳切換期為動態(tài)的準動態(tài)步行方案。實現(xiàn)了步幅45em，每步9s的準動態(tài)步行。1984年，加藤實驗室又研制出采用踝關(guān)節(jié)力矩控制的WL．10RD雙足機器人（見圖1．2）。實現(xiàn)了步幅40cm，每步1．5s的平穩(wěn)動態(tài)步行。1986年，加藤實驗室又研制成功了WL．12R步行機器人，該機器人通過軀體運動來補償下肢的任意運動。在軀體的平衡作用下，實現(xiàn)了步行周期1．3s，步幅30cm的平地動態(tài)步行。日本機械學院的S．Kajital7】等針對一臺具有4個前向驅(qū)動電機且完全安裝在機器人上體的五連桿平面型雙足步行機器人Meltran I，研究其動態(tài)行走的控制方法。他根據(jù)機器人機構(gòu)質(zhì)量幾乎完全集中在上體的事實，為使雙足步行機器人實現(xiàn)穩(wěn)定的周期性的動態(tài)行走，對機器人上體采用了約束控制方法，提出了一種理想的線性倒立擺模型，同時又提出了機構(gòu)軌道能量守恒的概念，來求解各個關(guān)節(jié)的運動軌跡及輸入力矩，實現(xiàn)了在已知不平整地面下的穩(wěn)定動態(tài)步行。1996年他們又在此樣機的基礎(chǔ)上加載了超