仿人形機(jī)器人雙足動(dòng)態(tài)步行研究.pdf

1、近年來，仿人形機(jī)器人的研究發(fā)展迅速，仿人形機(jī)器人越來越具有人的特征。雙足步行，相對(duì)于其它移動(dòng)方式，是支撐腳離散、交替地接觸地面的，可主動(dòng)選擇最佳支撐點(diǎn)，因而受環(huán)境的限制少，具有很高的靈活性。仿人形機(jī)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(diào)地完成任務(wù)。仿人形機(jī)器人的雙足動(dòng)態(tài)步行研究，正成為機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，不僅有重要的學(xué)術(shù)意義，而且有現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用價(jià)值。要穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)仿人形機(jī)器人雙足動(dòng)態(tài)步行，涉及的研究領(lǐng)域

2、很廣，本文研究其中一些最為基礎(chǔ)和關(guān)鍵的問題，主要是數(shù)學(xué)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(yīng)用旋量理論，將仿人形機(jī)器人兩足步行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)表示為若干運(yùn)動(dòng)螺旋的指數(shù)積?；谟?jì)算機(jī)符號(hào)推理方法，編制符號(hào)推理程序，得到仿人形機(jī)器人的三維運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的解析模型。基于現(xiàn)代Lie群分析技術(shù)，應(yīng)用動(dòng)力學(xué)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(jī)器人側(cè)向動(dòng)力學(xué)模型的Lie對(duì)稱性，并得到相

3、應(yīng)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(diǎn)(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(jī)器人支撐腳相對(duì)地面保持固定的步行穩(wěn)定性充要條

4、件?；趲缀螌W(xué)和步態(tài)規(guī)劃知識(shí)，研究了機(jī)器人上下樓梯時(shí)臺(tái)階對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑的幾何約束。 三、總結(jié)了機(jī)器人雙足步行的常用概念，明確了單步與復(fù)步的區(qū)別，將仿人形機(jī)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(jī)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(jī)器人的中步步態(tài)。在保證不同階段步態(tài)間平滑聯(lián)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(jù)不同階段的側(cè)向步態(tài)近似的特點(diǎn)，應(yīng)用過渡函數(shù)將中步的

5、側(cè)向步態(tài)轉(zhuǎn)化為起步與止步的側(cè)向步態(tài)。 四、提出了非時(shí)間步態(tài)規(guī)劃方法，將常規(guī)步態(tài)中的時(shí)間參變量轉(zhuǎn)換為非時(shí)間參變量，使步態(tài)規(guī)劃可以分為兩個(gè)階段進(jìn)行：1)空間運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃，以上體前向運(yùn)動(dòng)位置為非時(shí)間參考變量，考慮環(huán)境約束，設(shè)計(jì)出無碰撞的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的幾何路徑，以確定各個(gè)關(guān)節(jié)間的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)關(guān)系；2)確定非時(shí)間參考變量的時(shí)間軌跡，即根據(jù)ZMP穩(wěn)定性條件，確定上體前向運(yùn)動(dòng)軌跡，將步態(tài)規(guī)劃問題轉(zhuǎn)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(duì)于機(jī)器人通過障礙或上下樓梯等對(duì)機(jī)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(jìn)行步行穩(wěn)定性控制時(shí)，只需修正非時(shí)間參考變量的時(shí)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(chǔ)上實(shí)現(xiàn)。 五、建立仿人形機(jī)器人的虛擬原理樣機(jī)系統(tǒng)。首先在Pro/E中建立仿人形機(jī)器人的三維幾何模型，然后導(dǎo)入ADAMS，建立機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)虛擬原理樣機(jī)。再用Matlab進(jìn)行機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

7、，通過ADAMS/Controls接口模塊建立起與機(jī)械系統(tǒng)虛擬原理樣機(jī)間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管道，實(shí)現(xiàn)專業(yè)級(jí)虛擬樣機(jī)系統(tǒng)的聯(lián)合仿真。 六、結(jié)合非時(shí)間參考步態(tài)規(guī)劃方法，提出基于調(diào)節(jié)瞬時(shí)步行速度的穩(wěn)定性智能控制策略。在機(jī)器人發(fā)生前傾或后傾時(shí)，通過讓機(jī)器人整體加速或減速，使機(jī)器人上產(chǎn)生與傾覆方向相反的附加回復(fù)力矩。在機(jī)器人發(fā)生前傾時(shí)，還會(huì)使擺動(dòng)腿提前落地，機(jī)器人及時(shí)獲得新的支撐，保證機(jī)器人恢復(fù)穩(wěn)定。根據(jù)非時(shí)間參考步態(tài)規(guī)劃的原理，在實(shí)施步行穩(wěn)定性