類人機器人非規(guī)則運動規(guī)劃與抗干擾控制研究.pdf

1、非規(guī)則運動是指參與運動的自由度數(shù)目較多、約束條件復雜且運動過程具有非周期性和隨機性等特點的運動。它是類人機器人研究領域中的一個前沿應用課題，在康復醫(yī)療、家庭服務、星際探險、體育娛樂等領域有著極其廣泛的應用前景。相對周期性的步行運動而言，類人機器人實現(xiàn)非規(guī)則運動所遇到的最大挑戰(zhàn)在于其適應性，包括任務的適應性和環(huán)境的適應性。因此，如何面對給定任務和環(huán)境而保持或提高機器人的運動能力顯得至關重要，其關鍵就是如何進行運動規(guī)劃和控制。類人機器人是一

2、個多變量、強耦合、非線性和變結構的復雜動力學系統(tǒng)，其變結構的不穩(wěn)定性和產生穩(wěn)定運動所需解決的動態(tài)平衡問題，對于控制理論和動力學問題的研究來說具有很大的挑戰(zhàn)性。本文以提高類人機器人的運動能力為出發(fā)點，對類人機器人非規(guī)則運動的動力學建模、運動規(guī)劃及抗干擾控制方法等關鍵問題進行了研究，提出了一些新的方法并做了大量的仿真和實驗驗證。主要工作及貢獻如下： 1)本文針對類人機器人非規(guī)則運動的特點，分析了非規(guī)則運動在類人機器人動力學建模中所存

3、在的主要問題及其解決方法。介紹了利用Kane方程對非規(guī)則運動中簡單非完整約束問題進行求解的主要過程，給出了非完整偏速度和偏角速度以及非完整廣義主動力和慣性力的推導過程，并說明了非完整系統(tǒng)與完整系統(tǒng)在建模過程中的聯(lián)系與區(qū)別。類人機器人運動學和動力學方程的建立，不僅可以用來計算關節(jié)運動的驅動力矩，還為步態(tài)和非步態(tài)運動規(guī)劃提供了重要依據(jù)。 2)在非規(guī)則運動規(guī)劃中，本文提出了基于狀態(tài)轉換的運動規(guī)劃方法，即根據(jù)給定任務的關鍵運動狀態(tài)為類人

4、機器人生成滿足動力學約束要求的、穩(wěn)定的運動軌跡。該方法通過建立類人機器人運動的狀態(tài)空間，將連續(xù)的運動采用離散的狀態(tài)來表示，再通過相鄰狀態(tài)之間的轉換(即狀態(tài)轉換)來實現(xiàn)各種復雜的非規(guī)則運動。其中關鍵運動狀態(tài)的獲取是狀態(tài)轉換運動規(guī)劃方法的基本要素之一。為了替代傳統(tǒng)的HMCD運動數(shù)據(jù)獲取方法，本文基于遺傳算法提出了一種新的狀態(tài)生成方法，該方法可以在沒有任何參考運動數(shù)據(jù)的條件下，通過自由指定各種約束條件，生成穩(wěn)定的且滿足約束條件要求的機器人運動

5、狀態(tài)。與HMCD法相比，該方法是一種更為直接、有效的運動狀態(tài)生成方法，極大地提高了類人機器人非規(guī)則運動數(shù)據(jù)的獲取效率。另外在狀態(tài)轉換運動規(guī)劃中，狀態(tài)轉換過程可以劃分為狀態(tài)內轉換和狀態(tài)間轉換，通過狀態(tài)轉換的識別對其加以區(qū)分。在狀態(tài)轉換識別方法上，本文提出了接觸點集合的概念，對接觸狀態(tài)的變化進行邏輯上的表達；再結合接觸點集合的變化情況，通過設定接觸力閥值來實現(xiàn)對狀態(tài)轉換的識別。 3)根據(jù)給定的狀態(tài)轉換軌跡進行局部的跟蹤控制，是本文實

6、現(xiàn)類人機器人非規(guī)則運動的另一個重要研究內容。本文針對運動中受小幅外力干擾作用的情況，對類人機器人軌跡跟蹤的抗干擾控制方法進行了研究。提出了利用逆動力學控制和ZMP平面的加速度映射相結合的抗干擾策略，在對運動軌跡進行精確跟蹤的同時保證系統(tǒng)整體的動態(tài)平衡性，解決了經典軌跡跟蹤控制方法在抗干擾及穩(wěn)定性保持等方面的不足。 4)為驗證本文所提出方法的有效性，分別構建了非規(guī)則運動規(guī)劃與抗干擾控制算法的實驗平臺，詳細地介紹了運動生成和運動執(zhí)行