四足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃與平衡控制研究.pdf

1、四足步行機(jī)器人是機(jī)器人家族的一個(gè)重要分支，其不僅承載能力強(qiáng)，而且容易適應(yīng)不平的地形。它既能使用靜態(tài)穩(wěn)定的步態(tài)緩慢平滑地行走，又能以動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的步態(tài)跑動(dòng)；如果安裝了操作手，在站立時(shí)還可以成為一個(gè)穩(wěn)定和靈活的工作平臺(tái)。因此，四足步行機(jī)器人是步行機(jī)器人中最有可能首先實(shí)用化的機(jī)型之一。在對(duì)四足步行機(jī)器人的研究中，步態(tài)規(guī)劃及運(yùn)動(dòng)平衡控制是具有重要意義的課題。為了有效地提高機(jī)器人的行走速度和能量效率，增強(qiáng)機(jī)器人在行走過程中對(duì)不平地形的適應(yīng)能力，本文以

2、AIBO四足機(jī)器人為研究平臺(tái)，從以下三個(gè)方面對(duì)四足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行了研究：
　　 1.四足機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃及優(yōu)化
　　 四足機(jī)器人最常用的步態(tài)規(guī)劃方法是基于運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的步態(tài)控制方法。實(shí)驗(yàn)表明，使用該方法規(guī)劃的軌跡與實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡不相符，這一問題造成機(jī)器人無法準(zhǔn)確按照預(yù)先設(shè)計(jì)的方式運(yùn)動(dòng)。因此，本文通過對(duì)機(jī)器人行走時(shí)身體搖擺現(xiàn)象的研究，在運(yùn)動(dòng)學(xué)模型控制法的基礎(chǔ)上引入動(dòng)力學(xué)規(guī)劃，提出一種使用零力矩點(diǎn)軌跡規(guī)劃的步態(tài)控制方法

3、：控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)的身體姿態(tài)來改變機(jī)器人足部與地面形成的支撐多邊形，同時(shí)使用零力矩點(diǎn)軌跡規(guī)劃方法生成機(jī)器人在支撐相時(shí)足部的軌跡。該方法有效地使用了基于模型的步態(tài)控制方法，降低了采用完全動(dòng)力學(xué)規(guī)劃方法的計(jì)算復(fù)雜度，滿足了算法實(shí)時(shí)性的要求。設(shè)計(jì)的控制器具有大量的參數(shù)，因而本文使用基于遺傳算法的進(jìn)化學(xué)習(xí)方法對(duì)步態(tài)控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。由于有效地使用了基于運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)劃的步態(tài)參數(shù)進(jìn)行種群初始化，算法收斂較快。此外，在適應(yīng)度函數(shù)的選取上充分考慮了穩(wěn)定性這

4、一因素，因而大大提高了最優(yōu)步態(tài)的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)使用AIBO機(jī)器人進(jìn)行測(cè)試，機(jī)器人使用該進(jìn)化學(xué)習(xí)方法可自主地得到最優(yōu)步態(tài)，其最優(yōu)步態(tài)在保證穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上速度達(dá)到了455 mm/s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用該方法進(jìn)行步態(tài)控制，機(jī)器人獲取的最優(yōu)步態(tài)不僅滿足穩(wěn)定性要求，而且對(duì)不平地形也具有較好的適應(yīng)能力。
　　 2.四足機(jī)器人的平衡控制及優(yōu)化
　　 針對(duì)機(jī)器人在正常運(yùn)動(dòng)過程中突然遭遇外力作用引發(fā)翻倒危險(xiǎn)的問題，各國(guó)科學(xué)家們致力于提出各種

5、“參考點(diǎn)”作為步行機(jī)器人的穩(wěn)定性判定標(biāo)準(zhǔn)。諸多成果都是使用仿真機(jī)器人進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，證明了相關(guān)理論的有效性，而在實(shí)體機(jī)器人上，機(jī)器人自身傳感器不可避免地存在各種噪聲和誤差，導(dǎo)致機(jī)器人無法確切地感知外部世界并得到自身狀態(tài)的準(zhǔn)確信息，因此本文針對(duì)實(shí)體機(jī)器人引入回歸映射模型有效地預(yù)測(cè)翻倒?fàn)顟B(tài)，提高了機(jī)器人狀態(tài)檢測(cè)的精度與準(zhǔn)確度。在此基礎(chǔ)上，為了迅速恢復(fù)機(jī)器人的站立狀態(tài)，本文提出一種基于軌道能量模型的步行機(jī)器人平衡控制方法：采用姿態(tài)控制和“邁單步

6、策略”兩種控制策略實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的平衡控制。同時(shí)，采用離線監(jiān)督學(xué)習(xí)方法對(duì)理論落腳點(diǎn)模型進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)使用AIBO機(jī)器人進(jìn)行測(cè)試，機(jī)器人實(shí)際的翻倒次數(shù)減少了一半以上，證明了該方法的有效性和可行性。
　　 3.四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)
　　 四足機(jī)器人需要能夠?qū)崿F(xiàn)快速的直線行走、靈活的轉(zhuǎn)彎和緊急制動(dòng)：當(dāng)機(jī)器人遇到突發(fā)狀況身體失去平衡時(shí)，需要判斷出身體是否處于將要翻倒的危險(xiǎn)狀態(tài)，并主動(dòng)恢復(fù)身體平衡；當(dāng)機(jī)器人不幸翻倒后，需要實(shí)現(xiàn)翻倒后