雙足機器人的步態(tài)規(guī)劃和步行控制研究.pdf

1、雙足機器人是當(dāng)今機器人研究領(lǐng)域最為前沿的課題之一，它集機械、電子、計算機、材料、傳感器、控制技術(shù)及人工智能等多門學(xué)科于一體，是一個國家高科技實力的重要標(biāo)志。穩(wěn)定步行是雙足機器人最基本的類人行為方式，也是實現(xiàn)其它行為的基礎(chǔ)。然而，由于它是一個自由度多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、耦合性強的非線性系統(tǒng)，因此，實現(xiàn)穩(wěn)定步行是雙足機器人研究領(lǐng)域的熱點和難點之一。步行控制的研究不僅可以為雙足機器人的機構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化提供理論指導(dǎo)，而且還將會促進仿生學(xué)的研究和應(yīng)用，使人

2、類更好地破解生命的奧秘，可以更多地了解和掌握人類的步行特性，并利用這種特性為人類服務(wù)。因此，本課題研究具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。本文在收集、整理和分析相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，對雙足機器人的步態(tài)規(guī)劃和步行控制進行了重點研究，主要的研究工作如下:
　　 (1)雙足機器人運動學(xué)分析和穩(wěn)定性研究
　　 首先分析了雙足機器人的機構(gòu)，對機器人各關(guān)節(jié)進行簡化，建立了雙足機器人的九連桿模型、世界坐標(biāo)系和各關(guān)節(jié)的局部坐標(biāo)系?；谠撨B桿模

3、型，推導(dǎo)出了雙足機器人的正運動學(xué)和逆運動學(xué)模型。此外，還介紹了雙足機器人的穩(wěn)定性判據(jù)—零力矩點(Zero Moment Point，ZMP)的定義，推導(dǎo)了ZMP的表達(dá)式，研究了雙足機器人穩(wěn)定步行需要滿足的條件。
　　 (2)雙足機器人的步態(tài)規(guī)劃及步態(tài)優(yōu)化研究
　　 針對傳統(tǒng)步態(tài)規(guī)劃方法規(guī)劃出來的雙足機器人步態(tài)階數(shù)高、容易出現(xiàn)振蕩、ZMP穩(wěn)定裕度不夠大，以及多個步態(tài)參數(shù)難于優(yōu)化等問題，提出了一種基于CSI-FSA的步態(tài)規(guī)劃

4、方法。該方法分兩步，第一步根據(jù)雙足機器人的步行要求，采用三次樣條插值(Cubic Spline Interpolation，CSI)方法規(guī)劃出徑向和側(cè)向平面內(nèi)雙足機器人的步態(tài)，該步態(tài)中包含各關(guān)鍵時刻兩髖關(guān)節(jié)中心到支撐腿踝關(guān)節(jié)的距離參數(shù);第二步以步態(tài)中各時刻ZMP到穩(wěn)定區(qū)域中心的距離為參數(shù)構(gòu)建評估步態(tài)穩(wěn)定性的目標(biāo)函數(shù)，采用魚群優(yōu)化（Fish Swarm Algorithm，F(xiàn)SA）算法對三次樣條插值方法規(guī)劃的步態(tài)中髖關(guān)節(jié)中心到支撐腿踝關(guān)節(jié)

5、的距離參數(shù)進行優(yōu)化，使步態(tài)的ZMP盡量靠近穩(wěn)定區(qū)域中心。仿真結(jié)果表明，與基于遺傳算法優(yōu)化的步態(tài)相比，該方法規(guī)劃的步態(tài)ZMP更靠近穩(wěn)定區(qū)域中心，而且步態(tài)中各關(guān)節(jié)的位置軌跡平滑。
　　 (3)雙足機器人的步行控制研究
　　 針對雙足機器人跟蹤離線規(guī)劃的步態(tài)時出現(xiàn)各關(guān)節(jié)角度誤差和ZMP誤差，導(dǎo)致步行穩(wěn)定性變差的問題，提出了一種基于上半身位姿補償?shù)牟叫锌刂品椒?。首先分析了上半身位姿對步行穩(wěn)定性的影響，而支撐腿髖關(guān)節(jié)為控制上半身位