類人機(jī)器人非規(guī)則運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與抗干擾控制研究.pdf

1、非規(guī)則運(yùn)動(dòng)是指參與運(yùn)動(dòng)的自由度數(shù)目較多、約束條件復(fù)雜且運(yùn)動(dòng)過(guò)程具有非周期性和隨機(jī)性等特點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。它是類人機(jī)器人研究領(lǐng)域中的一個(gè)前沿應(yīng)用課題，在康復(fù)醫(yī)療、家庭服務(wù)、星際探險(xiǎn)、體育娛樂(lè)等領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用前景。相對(duì)周期性的步行運(yùn)動(dòng)而言，類人機(jī)器人實(shí)現(xiàn)非規(guī)則運(yùn)動(dòng)所遇到的最大挑戰(zhàn)在于其適應(yīng)性，包括任務(wù)的適應(yīng)性和環(huán)境的適應(yīng)性。因此，如何面對(duì)給定任務(wù)和環(huán)境而保持或提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力顯得至關(guān)重要，其關(guān)鍵就是如何進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制。類人機(jī)器人是一

2、個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性和變結(jié)構(gòu)的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，其變結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性和產(chǎn)生穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)所需解決的動(dòng)態(tài)平衡問(wèn)題，對(duì)于控制理論和動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的研究來(lái)說(shuō)具有很大的挑戰(zhàn)性。本文以提高類人機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)類人機(jī)器人非規(guī)則運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)建模、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃及抗干擾控制方法等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了研究，提出了一些新的方法并做了大量的仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。主要工作及貢獻(xiàn)如下： 1)本文針對(duì)類人機(jī)器人非規(guī)則運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，分析了非規(guī)則運(yùn)動(dòng)在類人機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模中所存

3、在的主要問(wèn)題及其解決方法。介紹了利用Kane方程對(duì)非規(guī)則運(yùn)動(dòng)中簡(jiǎn)單非完整約束問(wèn)題進(jìn)行求解的主要過(guò)程，給出了非完整偏速度和偏角速度以及非完整廣義主動(dòng)力和慣性力的推導(dǎo)過(guò)程，并說(shuō)明了非完整系統(tǒng)與完整系統(tǒng)在建模過(guò)程中的聯(lián)系與區(qū)別。類人機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程的建立，不僅可以用來(lái)計(jì)算關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩，還為步態(tài)和非步態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃提供了重要依據(jù)。 2)在非規(guī)則運(yùn)動(dòng)規(guī)劃中，本文提出了基于狀態(tài)轉(zhuǎn)換的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，即根據(jù)給定任務(wù)的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為類人

4、機(jī)器人生成滿足動(dòng)力學(xué)約束要求的、穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)軌跡。該方法通過(guò)建立類人機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)空間，將連續(xù)的運(yùn)動(dòng)采用離散的狀態(tài)來(lái)表示，再通過(guò)相鄰狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換(即狀態(tài)轉(zhuǎn)換)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的非規(guī)則運(yùn)動(dòng)。其中關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的獲取是狀態(tài)轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法的基本要素之一。為了替代傳統(tǒng)的HMCD運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)獲取方法，本文基于遺傳算法提出了一種新的狀態(tài)生成方法，該方法可以在沒有任何參考運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的條件下，通過(guò)自由指定各種約束條件，生成穩(wěn)定的且滿足約束條件要求的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)

5、狀態(tài)。與HMCD法相比，該方法是一種更為直接、有效的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)生成方法，極大地提高了類人機(jī)器人非規(guī)則運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的獲取效率。另外在狀態(tài)轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)規(guī)劃中，狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程可以劃分為狀態(tài)內(nèi)轉(zhuǎn)換和狀態(tài)間轉(zhuǎn)換，通過(guò)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的識(shí)別對(duì)其加以區(qū)分。在狀態(tài)轉(zhuǎn)換識(shí)別方法上，本文提出了接觸點(diǎn)集合的概念，對(duì)接觸狀態(tài)的變化進(jìn)行邏輯上的表達(dá)；再結(jié)合接觸點(diǎn)集合的變化情況，通過(guò)設(shè)定接觸力閥值來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的識(shí)別。 3)根據(jù)給定的狀態(tài)轉(zhuǎn)換軌跡進(jìn)行局部的跟蹤控制，是本文實(shí)

6、現(xiàn)類人機(jī)器人非規(guī)則運(yùn)動(dòng)的另一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。本文針對(duì)運(yùn)動(dòng)中受小幅外力干擾作用的情況，對(duì)類人機(jī)器人軌跡跟蹤的抗干擾控制方法進(jìn)行了研究。提出了利用逆動(dòng)力學(xué)控制和ZMP平面的加速度映射相結(jié)合的抗干擾策略，在對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行精確跟蹤的同時(shí)保證系統(tǒng)整體的動(dòng)態(tài)平衡性，解決了經(jīng)典軌跡跟蹤控制方法在抗干擾及穩(wěn)定性保持等方面的不足。 4)為驗(yàn)證本文所提出方法的有效性，分別構(gòu)建了非規(guī)則運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與抗干擾控制算法的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，詳細(xì)地介紹了運(yùn)動(dòng)生成和運(yùn)動(dòng)執(zhí)行