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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
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