雙足機器人擬人步態(tài)規(guī)劃與穩(wěn)定性研究.pdf

1、雙足機器人具有較高地避障行走能力，能夠實現在各種不同復雜地面上行走，在仿人雙足機器人技術產業(yè)發(fā)展中具有廣闊的應用前景。研究雙足機器人擬人步態(tài)，使其實現穩(wěn)定、快速、擬人行走，具有重要的理論意義和實用價值。 本文研究了仿生機構的雙足機器人穩(wěn)定擬人行走步態(tài)的關鍵技術，主要通過研制仿生機構的雙足機器人，深入研究雙足行走步態(tài)穩(wěn)定性、擬人步態(tài)規(guī)劃與控制方法等。 本文分析了人的下肢機構自由度分配及關節(jié)驅動方式，設計了具有14自由度仿生

2、機構的雙足機器人HEUBR—1?；谌说孽钻P節(jié)運動機理，設計了一種二自由度空間并聯機構，應用于雙足機器人踝關節(jié)設計中。針對串聯踝關節(jié)運動的不平衡性，優(yōu)化設計了雙足機器人并聯踝關節(jié)機構，使雙足機器人并聯踝關節(jié)的運動速度和驅動功率峰值均較為平穩(wěn)，通過在ADAMS中仿真實驗，研究優(yōu)化后并聯踝關節(jié)的運動性能。 分析了零力矩點(ZMP，ZeroMomentPoint)、壓力中心點(COP，CenterOfPressure)的相互關系，得到

3、了在雙足機器人與水平地面無粘性力和無吸附力作用下雙足機器人的ZMP即為COP的結論。針對擬人步態(tài)中支撐面的多種變化，提出了支撐區(qū)域描述方法，實現對多點接觸時支撐多邊形的區(qū)域描述；結合ZMP/COP、COG在支撐面內的位置，提出了基于ZMP/COP、COG的綜合穩(wěn)定性判據，通過仿真分析表明比傳統(tǒng)的ZMP穩(wěn)定性判據更能準確地評價步態(tài)的穩(wěn)定性。 分析了人的多種行走步態(tài)，提出了雙足機器人按不同行走速度下的六種步態(tài)形式，研究了六種步態(tài)的膝

4、關節(jié)轉角、角速度、驅動力矩、足底支撐面變化及穩(wěn)定裕度，分析六種步態(tài)對應的行走能耗比關系，比較了各種步態(tài)的優(yōu)缺點及適用范圍。針對傳統(tǒng)的雙足機器人采用無足趾屈膝步態(tài)行走，提出擬人步態(tài)規(guī)劃方法，在空間三個平面上規(guī)劃關鍵步態(tài)參數，采用三次樣條擬合方法得到對應參數下的連續(xù)軌跡。通過調整腿長和足部角度參數可模擬人的多種行走步態(tài)，調整關鍵姿態(tài)下踝關節(jié)角度參數，能夠保證雙足機器人穩(wěn)定行走。 分析了傳統(tǒng)精確跟蹤COG軌跡和ZMP軌跡等步態(tài)控制方法

5、，結合人在行走時ZMP平穩(wěn)移動的特性，提出了一種移動可伸縮倒立擺模型，在約束平面內分析ZMP與COG的運動關系。提出無需精確跟蹤期望的ZMP軌跡，但應在有效穩(wěn)定范圍內主動調整ZMP實現對COG軌跡跟蹤的控制策略。提出了采用移動可伸縮倒立擺模型中伸縮桿驅動力補償多桿模型中關節(jié)驅動力矩，實現了步態(tài)補償控制。 在雙足機器人HEUBR—1樣機的實驗平臺上，實現不同步幅下多種步態(tài)的穩(wěn)定行走，比較了三種步態(tài)膝關節(jié)角度、角速度、驅動力矩、足趾