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

1、研究開(kāi)發(fā)仿人機(jī)器人的最終目的是讓其能夠像人類(lèi)一樣在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中活動(dòng)與工作，而高效的步行模式與高穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)行走控制是仿人機(jī)器人在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中活動(dòng)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(lái)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(dòng)態(tài)平衡行走。在美國(guó)國(guó)防部高級(jí)計(jì)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(guó)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(dòng)態(tài)平衡行走控制方面展開(kāi)深入研究，其主要研究?jī)?nèi)容與創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　1.提出了基于人類(lèi)行走特征的高效雙足步行模式生成方法。首先，以人類(lèi)步行運(yùn)動(dòng)模式為參照，利用NDI高速光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)捕獲了人類(lèi)步態(tài)數(shù)據(jù)，分析了人類(lèi)步態(tài)的重要性能特征，提取了與雙足步行運(yùn)動(dòng)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(dòng)模式綜合算

3、法，來(lái)為仿人機(jī)器人生成完整的步行模式（啟動(dòng)步，循環(huán)步，停止步）。然后，構(gòu)建了一種仿人步行運(yùn)動(dòng)模式參數(shù)優(yōu)化算法來(lái)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(dòng)模式可行性與能效性的估算方法。最后，通過(guò)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(wèn)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(duì)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)。基于3D-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(lái)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(guò)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(kāi)展了基于力/力矩反饋的動(dòng)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(dòng)態(tài)平衡行走控制策略，其主要由四個(gè)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(jiǎn)單的帶有柔順關(guān)節(jié)的倒立擺模型設(shè)計(jì)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(guò)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(duì)位姿偏差來(lái)計(jì)算出合適的各關(guān)節(jié)角度補(bǔ)償量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)期望的零力矩點(diǎn)軌跡與雙足運(yùn)動(dòng)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(dòng)腳無(wú)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(dòng)腳在垂直與水平平面的位置來(lái)解決擺動(dòng)腳非期望觸地引起的瞬間沖擊力問(wèn)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(shí)域被動(dòng)的擺動(dòng)腳軟著陸控制方法。首先，考慮到擺動(dòng)腳著地時(shí)的碰撞沖擊力與擺動(dòng)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(dòng)腳軌跡應(yīng)該預(yù)先被規(guī)劃。然后，考慮到擺動(dòng)腳著地誤差的存在，通過(guò)六維力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)擺動(dòng)腳的力/力矩信息，利用具有導(dǎo)納因果關(guān)系的擴(kuò)展時(shí)域被動(dòng)控制方法實(shí)時(shí)在線輕微修正擺動(dòng)腳與質(zhì)心位置來(lái)抑制或抵消擺動(dòng)腳著地瞬間的沖擊力，并通過(guò)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