仿人機器人的步態(tài)規(guī)劃及步行平衡控制研究.pdf

1、在各種形式的機器人中，仿人機器人是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對較為復(fù)雜、集成度較高且與人類最為相似的一類機器人。近年來，由于仿人機器人在加工、制造和運輸?shù)裙I(yè)領(lǐng)域，以及醫(yī)療、服務(wù)和娛樂等社會領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景，仿人機器人的研究與開發(fā)引起了日本和歐美等許多發(fā)達國家的科學(xué)家和企業(yè)家的極大熱情。對于仿人機器人而言，類人的雙足步行運動是其顯著特點。如何高效地實現(xiàn)仿人機器人的雙足步行，并提高其在特殊地形下的步行平衡性，一直是機器人領(lǐng)域的一個研究熱點。本論文研究了

2、仿人機器人雙足步行的步態(tài)規(guī)劃高效性和特殊地形下的步行穩(wěn)定性，主要工作可歸納為以下四個方面:
　　第一，分析基于線性耦合振蕩器的仿人機器人步態(tài)規(guī)劃方法。常用的仿人機器人的步態(tài)規(guī)劃方法主要包括以下四種:基于幾何約束的步態(tài)規(guī)劃，基于倒立擺模型的步態(tài)規(guī)劃，基于目標ZMP（Zero Moment Point，零力矩點）的步態(tài)規(guī)劃，以及基于線性耦合振蕩器的步態(tài)規(guī)劃。前三種方法中的模型均具有明確的物理含義，最后一種方法來源于仿生學(xué)?；诰€性耦合

3、振蕩器的步態(tài)規(guī)劃方法相對于前面的三種方法具有計算簡便、高效的優(yōu)點，較適合應(yīng)用在計算能力有限的小型仿人機器人上。
　　第二，在采用線性耦合振蕩器模型的仿人機器人步態(tài)規(guī)劃中，線性耦合振蕩器(Linear Coupled Oscillator)部分參數(shù)依靠手動調(diào)整、難以獲得能穩(wěn)定行走的參數(shù)值。故給出了一種優(yōu)化線性耦合振蕩器參數(shù)的算法以改善整個步態(tài)規(guī)劃方法。將機器人的步行速度、行走過程中的質(zhì)心振動幅度和ZMP曲線的回繞率組合起來作為優(yōu)化目

4、標，定義并選定ZMP穩(wěn)定裕度為約束條件，采用帶約束的非線性優(yōu)化方法作為求解工具，在部分參數(shù)固定的情況下，計算得到線性耦合振蕩器部分參數(shù)的最優(yōu)值。
　　第三，給出坡面地形上機器人步行平衡控制方法。由于單獨使用加速度計或者陀螺儀的誤差過大，需要聯(lián)合這兩者的數(shù)據(jù)來測量機器人身體的傾角。為機器人上下坡步行過程建立一個MDP（Markov Decision Procession，馬爾可夫決策過程），再通過RLA（Reinforcement

5、Learning，增強學(xué)習(xí)）算法來求解最佳的決策來對的機器人重心進行控制以確保坡面步行平衡性。
　　第四，通過仿真實驗和實際平臺來驗證所述方法的有效性。Matlab仿真結(jié)果表明，優(yōu)化方法選擇的參數(shù)能在保證較大ZMP穩(wěn)定裕度的情況下實現(xiàn)機器人的快速步行。在DARwIn-OP仿人機器人開放平臺上進行了步態(tài)規(guī)劃實驗，其結(jié)果表明優(yōu)化得到的線性耦合振蕩器參數(shù)能保證仿人機器人以較大速度穩(wěn)定行走。此外，在基于ODE的開源動力學(xué)、機器人仿真軟件W