仿人雙足機(jī)器人多地形步態(tài)規(guī)劃和穩(wěn)定控制方法研究.pdf

1、仿人雙足機(jī)器人具有人類的形狀并能像人一樣活動(dòng)，能在人所處的現(xiàn)實(shí)環(huán)境中工作，并且能夠使用人所用的工具，有關(guān)它的研究和發(fā)展代表了機(jī)器人研究的頂尖水平。它集多學(xué)科交叉應(yīng)用，代表了一個(gè)國(guó)家在機(jī)器人領(lǐng)域的最高成就。穩(wěn)定步行是仿人雙足機(jī)器人在多任務(wù)地形的環(huán)境中作業(yè)的基礎(chǔ)，也是仿人機(jī)器人研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。本文以美國(guó)國(guó)防部舉辦的機(jī)器人挑戰(zhàn)賽為背景，在總結(jié)國(guó)內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，著重圍繞仿人機(jī)器人多種地形的步態(tài)規(guī)劃和穩(wěn)定控制方法展開研究。本文的主要研究?jī)?nèi)

2、容和創(chuàng)新點(diǎn)在如下幾個(gè)方面:
　　1.基于三質(zhì)心模型的髖關(guān)節(jié)高度和姿態(tài)補(bǔ)償步態(tài)生成方法:目前仿人機(jī)器人所實(shí)現(xiàn)的步行方式與人類自然步態(tài)相比，在步態(tài)平滑自然性、單位移動(dòng)距離能耗以及步行頻率和速度方面具有較大差距。以人體為參照，利用Vicon Nexus運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)搭建人體自然步行運(yùn)動(dòng)研究平臺(tái)，通過捕捉人體各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡，提取人類行走的特征數(shù)據(jù)，提出了基于三質(zhì)心模型的髖關(guān)節(jié)高度和姿態(tài)補(bǔ)償?shù)牟綉B(tài)生成方法，該方法可以有效解決單質(zhì)心模型不精確的

3、問題，并通過地毯和柏油路步行實(shí)驗(yàn)證明了該方法的有效性和穩(wěn)健性。
　　2.仿人機(jī)器人連續(xù)障礙物跨越方法:首先提出仿人機(jī)器人的障礙物連續(xù)跨越問題，定義了兩種障礙物連續(xù)跨越類型—稀疏障礙物跨越和緊密障礙物跨越;然后提出了連續(xù)障礙物跨越的可行性分析方法，使用腿軌跡規(guī)劃調(diào)整與上半身質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡補(bǔ)償?shù)姆椒ㄐ拚罱K全身運(yùn)動(dòng)軌跡;最后，通過OpenHRP仿真平臺(tái)和XT實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分別開展兩種障礙物連續(xù)跨越的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的有效性和可行性。

4、　　3.仿人機(jī)器人通用斜面步行模式生成方法:提出了一種考慮仿人機(jī)器人腰部姿態(tài)和低落地沖擊的斜面步行模式生成方法—不對(duì)稱倒立擺斜面步行模式生成方法。首先提出了基于虛擬地面方法的機(jī)器人單質(zhì)心模型的二維和三維運(yùn)動(dòng)方程，獲得了斜面連續(xù)直觀的ZMP方程。然后分析了腰部姿態(tài)對(duì)斜面行走的影響，提出并使用不對(duì)稱倒立擺模型實(shí)現(xiàn)仿人機(jī)器人斜面穩(wěn)定動(dòng)態(tài)行走，該方法可以有效解決落地沖擊問題。最后使用OpenHRP模擬仿真實(shí)驗(yàn)和XT機(jī)器人平臺(tái)斜面動(dòng)態(tài)行走實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

5、了上述新方法的有效性和可行性。
　　4.仿人機(jī)器人兩級(jí)穩(wěn)定步行控制器:設(shè)計(jì)的穩(wěn)定器由兩級(jí)穩(wěn)定器組成，前級(jí)穩(wěn)定器包含髖關(guān)節(jié)力矩補(bǔ)償器、落地控制器和ZMP補(bǔ)償控制器，其主要作用是令機(jī)器人當(dāng)前ZMP向目標(biāo)ZMP移動(dòng)，減小這兩點(diǎn)之間的距離;后級(jí)穩(wěn)定器包含上半身軀體控制和落地位置修正控制器;其主要作用是當(dāng)在機(jī)器人目標(biāo)ZMP和當(dāng)前ZMP點(diǎn)幾乎重合的情況下仍有跌倒趨勢(shì)時(shí)（上半身傾斜過大），通過突發(fā)式的調(diào)整上半身加速度重新規(guī)劃目標(biāo)ZMP以恢復(fù)機(jī)器