復(fù)雜環(huán)境中的人形機(jī)器人行走規(guī)劃.pdf

1、人形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制具有復(fù)雜度高且非線性的特點(diǎn)，其中的行走規(guī)劃己成為近年來(lái)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)。為機(jī)器人規(guī)劃雙足動(dòng)作，需要綜合考慮到穩(wěn)定性與可行性，即，機(jī)器人要在保持身體平衡的同時(shí)，避免與環(huán)境發(fā)生碰撞或造成自身?yè)p壞。在完成行走動(dòng)作的設(shè)計(jì)之后，我們還需使用多種方法對(duì)步態(tài)進(jìn)行調(diào)整，才能使實(shí)體機(jī)器人上執(zhí)行的步態(tài)與預(yù)期效果相似。雖然，研究者己針對(duì)以上幾個(gè)課題，分別給出了一些解決的方法，但是一些細(xì)節(jié)的檢測(cè)與調(diào)整仍繁瑣復(fù)雜，且依賴于開(kāi)發(fā)者的經(jīng)驗(yàn)

2、。所以，我們迫切的需要一套可為機(jī)器人生成雙足步態(tài)的智能且系統(tǒng)化的方法。
　　 本文將介紹一種通用的人形機(jī)器人雙足動(dòng)作規(guī)劃方法，可以為機(jī)器人在復(fù)雜的環(huán)境中（包括階梯、斜坡與各種障礙物）生成平滑且靈活的行走動(dòng)作。所介紹的規(guī)劃方法，將在保持機(jī)器人動(dòng)態(tài)平衡的基礎(chǔ)上，考慮步態(tài)的可行性。文章將簡(jiǎn)要介紹人形機(jī)器人的發(fā)展歷程，其步態(tài)生成的幾類主流方法，以及在復(fù)雜環(huán)境中規(guī)劃行走動(dòng)作的幾種典型策略，此外，還將指出機(jī)器人規(guī)劃雙足動(dòng)作的幾大挑戰(zhàn)。

3、>　　 本文所提出的規(guī)劃方法，之所以能在快速規(guī)劃步態(tài)的同時(shí)考慮步態(tài)的可行性，是因?yàn)槠湟浴昂?jiǎn)化步行”的概念作為基礎(chǔ)，對(duì)機(jī)器人的雙足動(dòng)作加以一定的假設(shè)與簡(jiǎn)化。使用這個(gè)概念，步行規(guī)劃的時(shí)間單位可由普通方法中的一“周期”擴(kuò)展為一“步”。從而，三維空間中的連續(xù)規(guī)劃問(wèn)題可被轉(zhuǎn)換為水平面上的離散規(guī)劃問(wèn)題。這使得步態(tài)規(guī)劃的解空間被極大程度的縮小，也使得規(guī)劃算法可以借助于較低的計(jì)算量考慮更多的約束條件，并讓機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)期規(guī)劃成為可能。雖然簡(jiǎn)化行走為理論

4、上的行走方案，但其可以被轉(zhuǎn)換為應(yīng)用于實(shí)體機(jī)器人的步態(tài)。機(jī)器人的部分質(zhì)心軌跡將被轉(zhuǎn)換，以生成行走中的雙足支撐相。之后，機(jī)器人將補(bǔ)充質(zhì)心的豎直運(yùn)動(dòng)以攀爬樓梯或上下斜坡，并考慮多質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)的物理特性，進(jìn)行質(zhì)心軌跡的調(diào)整以增強(qiáng)行走的穩(wěn)定性。本文將在實(shí)體機(jī)器人上演示轉(zhuǎn)換所得的步態(tài)。此外，本文還會(huì)介紹如何設(shè)計(jì)周期性的雙足動(dòng)作，并將不同的行走進(jìn)行平滑連接。雙足動(dòng)作的連接條件將在文章中進(jìn)行詳細(xì)的討論。
　　 以簡(jiǎn)化行走為基礎(chǔ)，本文會(huì)介紹兩個(gè)隨機(jī)搜

5、索算法：第一個(gè)算法（命名為ZMP樣本搜索算法），可以為給定的可行足跡序列生成其簡(jiǎn)化行走方案；另一個(gè)算法（命名為基于樣本搜索的足跡修正算法），可以將不可行的足跡進(jìn)行調(diào)整，使之成為可行足跡。ZMP樣本搜索算法，可以在快速求解步行方案的同時(shí)進(jìn)行機(jī)器人的步態(tài)檢查，以保證在行走全過(guò)程中的步態(tài)對(duì)于機(jī)器人都是可以實(shí)現(xiàn)的。凸集擴(kuò)展技術(shù)將用于降低隨機(jī)搜索結(jié)果的不確定性。文章還將首創(chuàng)性的提出足跡修正算法，用于增強(qiáng)機(jī)器人步行規(guī)劃的智能性，使機(jī)器人可以自動(dòng)的考

6、慮其自身結(jié)構(gòu)的限制，完成足跡調(diào)整。通用雙足動(dòng)作規(guī)劃器以及三階段的步態(tài)規(guī)劃策略將被詳細(xì)的闡述。仿真機(jī)器人與實(shí)體機(jī)器人都會(huì)用于演示在復(fù)雜環(huán)境中的行走規(guī)劃。
　　 近年，一些國(guó)際研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)出幾種高性能的人形機(jī)器人，并為其實(shí)現(xiàn)了多種靈活的雙足動(dòng)作，比如：跑步、舞蹈與上下樓梯。然而由于其運(yùn)動(dòng)能力一定程度的依賴于高檔次的硬件與精細(xì)的加工制造，也使得機(jī)器人的成本居高不下。但經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，人形機(jī)器人正逐漸展現(xiàn)出新的發(fā)展方向，即通過(guò)技術(shù)的革新

7、在低價(jià)位機(jī)器人上探索更高性能的運(yùn)動(dòng)控制。所以，本文將介紹為低成本實(shí)體機(jī)器人進(jìn)行步態(tài)調(diào)整的多種技術(shù)。人形機(jī)器人Nao將成為研究與實(shí)驗(yàn)的對(duì)象。由于Nao機(jī)器人的雙腿在髖部具有一耦合的關(guān)節(jié)，使得對(duì)其進(jìn)行機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)求解的難度有所增加。所以，本文會(huì)詳細(xì)介紹如何為具有耦合關(guān)節(jié)的機(jī)器人進(jìn)行逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，并得到各關(guān)節(jié)的詳細(xì)狀態(tài)，包括：關(guān)節(jié)位置、速度與加速度。pi-sigma神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將被用于計(jì)算機(jī)器人各關(guān)節(jié)上的力矩，并實(shí)時(shí)對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)上的彈性形變進(jìn)行補(bǔ)

8、償。模擬退火算法將用于為機(jī)器人自動(dòng)進(jìn)行彈性系數(shù)的校準(zhǔn)。此外，通過(guò)CoP的測(cè)量，行走規(guī)劃器將使用ZMP軌跡補(bǔ)償?shù)姆椒闄C(jī)器人校準(zhǔn)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)，使行走過(guò)程更加穩(wěn)定。最后，基于CoP測(cè)量的反饋控制方法將被給出，并為機(jī)器人的步行完成閉環(huán)控制。校準(zhǔn)算法與反饋控制器都將在實(shí)體機(jī)器人上進(jìn)行測(cè)試。
　　 本文的主要貢獻(xiàn)有四點(diǎn)：首先是提出“簡(jiǎn)化行走”，簡(jiǎn)潔的描述了機(jī)器人的雙足運(yùn)動(dòng)，極大程度的降低了生成軀干軌跡的計(jì)算復(fù)雜度。使得我們可以方便的實(shí)現(xiàn)不同行

9、走動(dòng)作的平滑連接，也使得在規(guī)劃中考慮更多約束并進(jìn)行遠(yuǎn)期行走規(guī)劃成為可能。其次是對(duì)機(jī)器人的行走過(guò)程，創(chuàng)造性的進(jìn)行了系統(tǒng)化的“步態(tài)檢查”。通過(guò)在規(guī)劃階段應(yīng)用高效的隨機(jī)搜索算法，以保證所產(chǎn)生的步態(tài)可以被施行于機(jī)器人，且不會(huì)造成潛在的損傷。再次是對(duì)于復(fù)雜環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了完整且通用的雙足運(yùn)動(dòng)規(guī)劃器。使機(jī)器人可以在復(fù)雜的環(huán)境中，自行規(guī)劃足跡序列，生成適合自身動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)的穩(wěn)定步態(tài)。且在足跡序列不合理時(shí)進(jìn)行局部的調(diào)整，使其更加適合機(jī)器人完成步態(tài)生成。最后是