雙足機(jī)器人行走步態(tài)規(guī)劃及ZMP穩(wěn)定性優(yōu)化的研究.pdf

1、目前隨著全球人工智能大趨勢(shì)的發(fā)展以及裝備制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，雙足機(jī)器人作為目前研究的熱門領(lǐng)域之一，代表著行業(yè)乃至一個(gè)國(guó)家最前沿的技術(shù)，它集合了機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、控制和生物學(xué)等眾多的前沿學(xué)科理論。不同于傳統(tǒng)的輪式機(jī)器人、履帶機(jī)器人等有相對(duì)穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)支撐，雙足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)沒有相對(duì)穩(wěn)定的支撐點(diǎn)，故步行穩(wěn)定性一直是雙足機(jī)器人需要考慮的難點(diǎn)問題，特別是對(duì)于跑步和上下樓梯等復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)環(huán)境，雙足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性顯得尤為重要。故合理的步態(tài)規(guī)劃對(duì)雙足機(jī)器

2、人研究至關(guān)重要，步態(tài)規(guī)劃也是目前雙足機(jī)器人研究領(lǐng)域里熱門研究方向之一。本文圍繞著雙足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃方向主要做了以下工作:
　　(1)根據(jù)人體生物學(xué)理論基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了雙足機(jī)器人本體的機(jī)械結(jié)構(gòu)，主要包括髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)和腳板的三維設(shè)計(jì)。并且考慮所設(shè)計(jì)的機(jī)器人能盡可能復(fù)現(xiàn)人類所有的動(dòng)作，根據(jù)人體下肢本身的各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍，定義了機(jī)器人10個(gè)關(guān)節(jié)角的運(yùn)動(dòng)范圍。
　　(2)給出了雙足機(jī)器人各桿件坐標(biāo)系建立需要的數(shù)學(xué)知識(shí)，利用齊次坐標(biāo)

3、變換對(duì)機(jī)器人的正運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分別進(jìn)行建模，為后續(xù)步態(tài)規(guī)劃奠定了理論基礎(chǔ)。對(duì)雙足機(jī)器人穩(wěn)定步行需要滿足的條件及零力矩點(diǎn)進(jìn)行了研究，為后續(xù)步態(tài)規(guī)劃和優(yōu)化做好了準(zhǔn)備。
　　(3)根據(jù)雙足機(jī)器人的步行行進(jìn)特點(diǎn)，將機(jī)器人簡(jiǎn)化為倒立擺模型，在二維倒立擺模型的基礎(chǔ)上提出了周期、起步和止步三步規(guī)劃法，并利用速度和位移約束實(shí)現(xiàn)了三個(gè)步行階段的平穩(wěn)過渡，利用倒立擺簡(jiǎn)化模型和五次樣條多項(xiàng)式插值方法得到各個(gè)階段質(zhì)心和擺動(dòng)腿踝關(guān)節(jié)的軌跡，再根據(jù)腿部關(guān)節(jié)

4、轉(zhuǎn)角簡(jiǎn)化模型利用幾何法求得雙足機(jī)器人的10個(gè)關(guān)節(jié)角運(yùn)動(dòng)軌跡。
　　(4)結(jié)合非時(shí)間步態(tài)規(guī)劃的思想，將步態(tài)規(guī)劃中的時(shí)間變量替代為非時(shí)間變量，步態(tài)規(guī)劃具體分為各關(guān)節(jié)空間運(yùn)動(dòng)軌跡的求解和非時(shí)間參考變量關(guān)于時(shí)間的函數(shù)表達(dá)式的求解兩部分。并以雙足機(jī)器人步行穩(wěn)定性為優(yōu)化目標(biāo)，行走速度為約束條件，利用遺傳算法獲得了滿足機(jī)器人步行最穩(wěn)定情況下的最優(yōu)步行參數(shù)。對(duì)于要求機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)避障和上下樓梯等對(duì)機(jī)器人空間運(yùn)動(dòng)軌跡有約束的步態(tài)規(guī)劃問題，此種方法有