雙足機器人擬人步態(tài)規(guī)劃與穩(wěn)定性研究.pdf

1、雙足機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。研究雙足機器人擬人步態(tài)，使其實現(xiàn)穩(wěn)定、快速、擬人行走，具有重要的理論意義和實用價值。 本文研究了仿生機構(gòu)的雙足機器人穩(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構(gòu)的雙足機器人，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構(gòu)自由度分配及關(guān)節(jié)驅(qū)動方式，設(shè)計了具有14自由度仿生

2、機構(gòu)的雙足機器人HEUBR—1?；谌说孽钻P(guān)節(jié)運動機理，設(shè)計了一種二自由度空間并聯(lián)機構(gòu)，應(yīng)用于雙足機器人踝關(guān)節(jié)設(shè)計中。針對串聯(lián)踝關(guān)節(jié)運動的不平衡性，優(yōu)化設(shè)計了雙足機器人并聯(lián)踝關(guān)節(jié)機構(gòu)，使雙足機器人并聯(lián)踝關(guān)節(jié)的運動速度和驅(qū)動功率峰值均較為平穩(wěn)，通過在ADAMS中仿真實驗，研究優(yōu)化后并聯(lián)踝關(guān)節(jié)的運動性能。 分析了零力矩點(ZMP，ZeroMomentPoint)、壓力中心點(COP，CenterOfPressure)的相互關(guān)系，得到

3、了在雙足機器人與水平地面無粘性力和無吸附力作用下雙足機器人的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，實現(xiàn)對多點接觸時支撐多邊形的區(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)缺點及適用范圍。針對傳統(tǒng)的雙足機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)，能夠保證雙足機器人穩(wěn)定行走。 分析了傳統(tǒng)精確跟蹤COG軌跡和ZMP軌跡等步態(tài)控制方法

5、，結(jié)合人在行走時ZMP平穩(wěn)移動的特性，提出了一種移動可伸縮倒立擺模型，在約束平面內(nèi)分析ZMP與COG的運動關(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)主動調(diào)整ZMP實現(xiàn)對COG軌跡跟蹤的控制策略。提出了采用移動可伸縮倒立擺模型中伸縮桿驅(qū)動力補償多桿模型中關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩，實現(xiàn)了步態(tài)補償控制。 在雙足機器人HEUBR—1樣機的實驗平臺上，實現(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)動力矩、足趾