雙足機(jī)器人擬人步態(tài)規(guī)劃與穩(wěn)定性研究.pdf

1、雙足機(jī)器人具有較高地避障行走能力，能夠?qū)崿F(xiàn)在各種不同復(fù)雜地面上行走，在仿人雙足機(jī)器人技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中具有廣闊的應(yīng)用前景。研究雙足機(jī)器人擬人步態(tài)，使其實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、快速、擬人行走，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。 本文研究了仿生機(jī)構(gòu)的雙足機(jī)器人穩(wěn)定擬人行走步態(tài)的關(guān)鍵技術(shù)，主要通過研制仿生機(jī)構(gòu)的雙足機(jī)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(jī)構(gòu)自由度分配及關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式，設(shè)計(jì)了具有14自由度仿生

2、機(jī)構(gòu)的雙足機(jī)器人HEUBR—1?；谌说孽钻P(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)機(jī)理，設(shè)計(jì)了一種二自由度空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)，應(yīng)用于雙足機(jī)器人踝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)中。針對串聯(lián)踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的不平衡性，優(yōu)化設(shè)計(jì)了雙足機(jī)器人并聯(lián)踝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，使雙足機(jī)器人并聯(lián)踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)速度和驅(qū)動(dòng)功率峰值均較為平穩(wěn)，通過在ADAMS中仿真實(shí)驗(yàn)，研究優(yōu)化后并聯(lián)踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)性能。 分析了零力矩點(diǎn)(ZMP，ZeroMomentPoint)、壓力中心點(diǎn)(COP，CenterOfPressure)的相互關(guān)系，得到

3、了在雙足機(jī)器人與水平地面無粘性力和無吸附力作用下雙足機(jī)器人的ZMP即為COP的結(jié)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(shí)現(xiàn)對多點(diǎn)接觸時(shí)支撐多邊形的區(qū)域描述；結(jié)合ZMP/COP、COG在支撐面內(nèi)的位置，提出了基于ZMP/COP、COG的綜合穩(wěn)定性判據(jù)，通過仿真分析表明比傳統(tǒng)的ZMP穩(wěn)定性判據(jù)更能準(zhǔn)確地評價(jià)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(jī)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(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角、角速度、驅(qū)動(dòng)力矩、足底支撐面變化及穩(wěn)定裕度，分析六種步態(tài)對應(yīng)的行走能耗比關(guān)系，比較了各種步態(tài)的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍。針對傳統(tǒng)的雙足機(jī)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(gè)平面上規(guī)劃關(guān)鍵步態(tài)參數(shù)，采用三次樣條擬合方法得到對應(yīng)參數(shù)下的連續(xù)軌跡。通過調(diào)整腿長和足部角度參數(shù)可模擬人的多種行走步態(tài)，調(diào)整關(guān)鍵姿態(tài)下踝關(guān)節(jié)角度參數(shù)，能夠保證雙足機(jī)器人穩(wěn)定行走。 分析了傳統(tǒng)精確跟蹤C(jī)OG軌跡和ZMP軌跡等步態(tài)控制方法

5、，結(jié)合人在行走時(shí)ZMP平穩(wěn)移動(dòng)的特性，提出了一種移動(dòng)可伸縮倒立擺模型，在約束平面內(nèi)分析ZMP與COG的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。提出無需精確跟蹤期望的ZMP軌跡，但應(yīng)在有效穩(wěn)定范圍內(nèi)主動(dòng)調(diào)整ZMP實(shí)現(xiàn)對COG軌跡跟蹤的控制策略。提出了采用移動(dòng)可伸縮倒立擺模型中伸縮桿驅(qū)動(dòng)力補(bǔ)償多桿模型中關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩，實(shí)現(xiàn)了步態(tài)補(bǔ)償控制。 在雙足機(jī)器人HEUBR—1樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)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(guān)節(jié)角度、角速度、驅(qū)動(dòng)力矩、足趾