仿人機(jī)器人高效步行模式生成與高穩(wěn)定動態(tài)行走控制方法研究.pdf

1、研究開發(fā)仿人機(jī)器人的最終目的是讓其能夠像人類一樣在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中活動與工作，而高效的步行模式與高穩(wěn)定的動態(tài)行走控制是仿人機(jī)器人在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中活動與工作的最基本要求與前提，且也是仿人機(jī)器人研究領(lǐng)域的難點(diǎn)與熱點(diǎn)。目前得益于硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，使得各種高效復(fù)雜的控制算法以及優(yōu)化算法得以應(yīng)用于機(jī)器人上，來優(yōu)化與改進(jìn)機(jī)器人的綜合性能，進(jìn)而讓仿人機(jī)器人能夠更加高效穩(wěn)定可靠的動態(tài)平衡行走。在美國國防部高級計劃研究局DARPA舉辦的世界機(jī)器人挑戰(zhàn)賽DRC的背

2、景下，且在調(diào)研總結(jié)國內(nèi)外仿人機(jī)器人研究狀況的基礎(chǔ)之上，本文著重圍繞仿人機(jī)器人的步行模式規(guī)劃以及穩(wěn)定動態(tài)平衡行走控制方面展開深入研究，其主要研究內(nèi)容與創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　1.提出了基于人類行走特征的高效雙足步行模式生成方法。首先，以人類步行運(yùn)動模式為參照，利用NDI高速光學(xué)運(yùn)動捕捉系統(tǒng)捕獲了人類步態(tài)數(shù)據(jù)，分析了人類步態(tài)的重要性能特征，提取了與雙足步行運(yùn)動重要性能相關(guān)的關(guān)鍵步行參數(shù)。構(gòu)建了一種基于關(guān)鍵步行參數(shù)的仿人雙足步行運(yùn)動模式綜合算

3、法，來為仿人機(jī)器人生成完整的步行模式（啟動步，循環(huán)步，停止步）。然后，構(gòu)建了一種仿人步行運(yùn)動模式參數(shù)優(yōu)化算法來提高雙足機(jī)器人的能效性，該算法分析與定義了有效穩(wěn)定區(qū)域即有效零力矩點(diǎn)變化區(qū)域(AZR)，推導(dǎo)出了一種雙足機(jī)器人步行運(yùn)動模式可行性與能效性的估算方法。最后，通過仿真與步行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的有效性，該方法有效的提高了仿人機(jī)器人步行的能效性且一定程度上解決了仿人機(jī)器人單質(zhì)心模型不精確引起的實(shí)際步態(tài)誤差問題。
　　2.提出了基于

4、最優(yōu)可變零力矩點(diǎn)區(qū)域(OAZR)與三維線性倒立擺模型(3D-LIPM)的雙足步行模式生成方法。在綜合分析固定零力矩點(diǎn)與自然零力矩點(diǎn)（X軸方向可變即仿人機(jī)器人前進(jìn)方向可變）的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)了零力矩點(diǎn)沿Y軸方向（即仿人機(jī)器人側(cè)擺方向）變化對雙足行走能效與穩(wěn)定的影響特性，進(jìn)而得出并定義了最優(yōu)可變零力矩點(diǎn)區(qū)域(OAZR)?；?D-LIPM，充分利用OAZR構(gòu)建了一種兼顧能效與穩(wěn)定的在線步行模式生成方法，其由步行模式綜合算法與步行模式參數(shù)優(yōu)化算法

5、所組成，來為仿人機(jī)器人在不同地形上行走生成相應(yīng)的綜合性能最優(yōu)的步行模式。最后，通過仿真與步行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該雙足步行模式生成方法的有效性。
　　3.開展了基于力/力矩反饋的動態(tài)平衡行走控制方法研究。構(gòu)建了一種基于仿人機(jī)器人踝關(guān)節(jié)處力與力矩反饋的穩(wěn)定動態(tài)平衡行走控制策略，其主要由四個控制器所組成，分別是阻尼控制器、位姿與零力矩點(diǎn)補(bǔ)償控制器、著地姿態(tài)控制器以及著地位置控制器。其中，阻尼控制器是基于一種簡單的帶有柔順關(guān)節(jié)的倒立擺模型設(shè)計的，

6、用于提高系統(tǒng)的阻尼性能。位姿與零力矩點(diǎn)補(bǔ)償控制器通過期望零力矩點(diǎn)與實(shí)際零力矩點(diǎn)間的偏差以及雙足相對位姿偏差來計算出合適的各關(guān)節(jié)角度補(bǔ)償量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對期望的零力矩點(diǎn)軌跡與雙足運(yùn)動軌跡的跟蹤。著地姿態(tài)控制器是基于踝關(guān)節(jié)處的力矩反饋實(shí)現(xiàn)的，用于擺動腳無阻礙平滑快速的著地。著地位置控制器是用于調(diào)整修改擺動腳在垂直與水平平面的位置來解決擺動腳非期望觸地引起的瞬間沖擊力問題，進(jìn)而提高仿人雙足機(jī)器人行走的穩(wěn)定性與可靠性。
　　4.提出了基于擴(kuò)展

7、時域被動的擺動腳軟著陸控制方法。首先，考慮到擺動腳著地時的碰撞沖擊力與擺動腳的著地速度有關(guān)，為了避免或削弱X軸方向即仿人機(jī)器人前進(jìn)方向上的觸碰沖擊力，合適的擺動腳軌跡應(yīng)該預(yù)先被規(guī)劃。然后，考慮到擺動腳著地誤差的存在，通過六維力傳感器實(shí)時檢測擺動腳的力/力矩信息，利用具有導(dǎo)納因果關(guān)系的擴(kuò)展時域被動控制方法實(shí)時在線輕微修正擺動腳與質(zhì)心位置來抑制或抵消擺動腳著地瞬間的沖擊力，并通過斜坡路面行走與輕度不平整路面行走實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了軟著陸控制策略的有效