仿人形機器人雙足動態(tài)步行研究.pdf

1、近年來，仿人形機器人的研究發(fā)展迅速，仿人形機器人越來越具有人的特征。雙足步行，相對于其它移動方式，是支撐腳離散、交替地接觸地面的，可主動選擇最佳支撐點，因而受環(huán)境的限制少，具有很高的靈活性。仿人形機器人模仿人類的行走方式，特別適合在人類的日常生活和工作中，與人友好協(xié)調地完成任務。仿人形機器人的雙足動態(tài)步行研究，正成為機器人領域的一個研究熱點，不僅有重要的學術意義，而且有現實的應用價值。要穩(wěn)定地實現仿人形機器人雙足動態(tài)步行，涉及的研究領域

2、很廣，本文研究其中一些最為基礎和關鍵的問題，主要是數學模型、步行穩(wěn)定性與約束條件、步態(tài)規(guī)劃與優(yōu)化、步行控制策略等，具體有： 一、應用旋量理論，將仿人形機器人兩足步行機構的運動學表示為若干運動螺旋的指數積?；谟嬎銠C符號推理方法，編制符號推理程序，得到仿人形機器人的三維運動學和動力學的解析模型?；诂F代Lie群分析技術，應用動力學系統(tǒng)微分方程在無限小變換下的不變性的Lie方法，研究仿人形機器人側向動力學模型的Lie對稱性，并得到相

3、應的守恒量。 二、基于地面支反力中心的概念，研究支撐腳與地面間的接觸狀況。通過分析支撐腳/地接觸面上支反力的分布，獲得支撐腳與地面間保持全接觸的約束條件，這也表明了零力矩點(ZeroMomentPoint，ZMP)穩(wěn)定性條件與全接觸條件的存在差異。并給出了腳底板中間開槽有助于改善腳/地間接觸狀況的證明。研究了隨著受力狀況的變化，支撐腳與地面間的接觸形態(tài)的演化。綜合接觸與打滑因素，得到機器人支撐腳相對地面保持固定的步行穩(wěn)定性充要條

4、件。基于幾何學和步態(tài)規(guī)劃知識，研究了機器人上下樓梯時臺階對機器人運動路徑的幾何約束。 三、總結了機器人雙足步行的常用概念，明確了單步與復步的區(qū)別，將仿人形機器人研究中的“步”的概念與日常生活中的“步”統(tǒng)一起來。為了利用機器人行走中的慣性，按照倒立擺模型的固有軌跡規(guī)劃出機器人的中步步態(tài)。在保證不同階段步態(tài)間平滑聯接的情況下，采用加速度空間規(guī)劃方法得到起步和止步階段的前向步態(tài)。再根據不同階段的側向步態(tài)近似的特點，應用過渡函數將中步的

5、側向步態(tài)轉化為起步與止步的側向步態(tài)。 四、提出了非時間步態(tài)規(guī)劃方法，將常規(guī)步態(tài)中的時間參變量轉換為非時間參變量，使步態(tài)規(guī)劃可以分為兩個階段進行：1)空間運動路徑規(guī)劃，以上體前向運動位置為非時間參考變量，考慮環(huán)境約束，設計出無碰撞的機器人運動的幾何路徑，以確定各個關節(jié)間的協(xié)調運動關系；2)確定非時間參考變量的時間軌跡，即根據ZMP穩(wěn)定性條件，確定上體前向運動軌跡，將步態(tài)規(guī)劃問題轉化為有約束的優(yōu)化問題。最后利用遺傳算法的出色的優(yōu)化與

6、搜索性能，得到ZMP穩(wěn)定性好的優(yōu)化步態(tài)。對于機器人通過障礙或上下樓梯等對機器人位形有特殊約束的步態(tài)規(guī)劃問題，此方法具有很大優(yōu)越性。在進行步行穩(wěn)定性控制時，只需修正非時間參考變量的時間軌跡，使在線修正算法可以很方便地在離線步態(tài)規(guī)劃的基礎上實現。 五、建立仿人形機器人的虛擬原理樣機系統(tǒng)。首先在Pro/E中建立仿人形機器人的三維幾何模型，然后導入ADAMS，建立機器人的機械系統(tǒng)虛擬原理樣機。再用Matlab進行機器人控制系統(tǒng)設計與仿真

7、，通過ADAMS/Controls接口模塊建立起與機械系統(tǒng)虛擬原理樣機間的實時數據管道，實現專業(yè)級虛擬樣機系統(tǒng)的聯合仿真。 六、結合非時間參考步態(tài)規(guī)劃方法，提出基于調節(jié)瞬時步行速度的穩(wěn)定性智能控制策略。在機器人發(fā)生前傾或后傾時，通過讓機器人整體加速或減速，使機器人上產生與傾覆方向相反的附加回復力矩。在機器人發(fā)生前傾時，還會使擺動腿提前落地，機器人及時獲得新的支撐，保證機器人恢復穩(wěn)定。根據非時間參考步態(tài)規(guī)劃的原理，在實施步行穩(wěn)定性