基于人體運(yùn)動相似性的仿人機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、仿人機(jī)器人的機(jī)械連桿結(jié)構(gòu)在空間分布上類似于人體軀干與四肢骨骼結(jié)構(gòu),具備擬人化的雙足運(yùn)動形態(tài)與雙手處理任務(wù)的能力,是人-機(jī)器人社會的重要組成部分。仿人機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃是任務(wù)執(zhí)行與行為決策的基礎(chǔ),其規(guī)劃方法主要分為基于運(yùn)動解析方程求解方式與基于人體運(yùn)動相似性方式。盡管基于運(yùn)動解析方程的軌跡求解方式具有易于表述與分析的數(shù)學(xué)特征,并體現(xiàn)出運(yùn)動軌跡平滑性等優(yōu)點(diǎn),但在軌跡自然過渡、復(fù)雜動作設(shè)計(jì)與能量消耗優(yōu)化上無法與基于人體運(yùn)動相似性的方法相比。

2、>　　本文在國家863計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目的子項(xiàng)目“競技與娛樂多機(jī)器人系統(tǒng)”課題資助下,研究了基于人體運(yùn)動相似性的仿人機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù),包括:機(jī)器人在相似性雙足步行中實(shí)現(xiàn)平衡與軌跡跟蹤控制,在失穩(wěn)倒地時(shí)最小化地面沖擊并在倒地后恢復(fù)到相似性運(yùn)動姿勢,自主調(diào)整固定的人體關(guān)節(jié)軌跡以適應(yīng)目標(biāo)環(huán)境改變。主要內(nèi)容如下:
　　首先,完善了仿人機(jī)器人相似性運(yùn)動系統(tǒng),從圖像捕捉與處理、相似性特征處理、運(yùn)動約束與優(yōu)化等方面闡述了相似性運(yùn)動規(guī)劃過程,分析

3、了正向運(yùn)動學(xué)與逆向運(yùn)動學(xué)解算以及運(yùn)動模型簡化與重定向設(shè)計(jì)方法,定義了基于時(shí)空控制的相似度,提出了關(guān)鍵姿勢判定與提取、運(yùn)動協(xié)調(diào)與同步控制以及關(guān)鍵姿勢樹狀結(jié)構(gòu)生成等方法,對運(yùn)動穩(wěn)定性判據(jù)方法進(jìn)行了對比,分析了相似性運(yùn)動中碰撞形式及其原因,闡述了防碰撞約束、落地腳補(bǔ)償以及關(guān)節(jié)角度控制等。
　　其次,以7連桿雙足步行機(jī)器人為例,研究了相似性運(yùn)動中的平衡與軌跡跟蹤控制。分析了雙足步行運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)特性,對相似性運(yùn)動的關(guān)鍵姿勢與基本子相施加運(yùn)

4、動學(xué)、子相銜接與物理?xiàng)l件等約束,建立了基于關(guān)節(jié)力矩的拉格朗日動力學(xué)模型,由機(jī)器人雅可比矩陣構(gòu)建了雙足地面接觸控制方程,定義仿人機(jī)器人動力學(xué)模型為連續(xù)時(shí)間線性時(shí)不變系統(tǒng),引入帶觀測器的狀態(tài)反饋控制器以跟蹤運(yùn)動軌跡,從三維倒立擺角度分析步行平衡控制,并由無限時(shí)間線性二次型調(diào)節(jié)器建立運(yùn)動參數(shù)誤差最小化目標(biāo)函數(shù),實(shí)現(xiàn)軌跡跟蹤控制。
　　再次,研究了仿人機(jī)器人相似性失穩(wěn)倒地時(shí)的動作保護(hù)與恢復(fù)。分析了倒地過程的動力學(xué)特性并施加了運(yùn)動學(xué)與物理?xiàng)l

5、件等約束,引入?yún)?shù)化控制方法優(yōu)化觸地點(diǎn)位置,并通過強(qiáng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)間變換,將指標(biāo)泛函求取原時(shí)間點(diǎn)的導(dǎo)數(shù)轉(zhuǎn)換在新的時(shí)間點(diǎn)上求取參數(shù)的導(dǎo)數(shù),解決了機(jī)器人倒地時(shí)觸地點(diǎn)位置的尋優(yōu)問題,使其所受的地面沖擊最小、觸地位置與倒地穩(wěn)定性最優(yōu);采用可變種群規(guī)模的遺傳算法對機(jī)器人觸地后的相似性運(yùn)動姿勢恢復(fù)進(jìn)行了優(yōu)化。
　　最后,以仿人機(jī)器人相似性上臺階運(yùn)動為例,研究了機(jī)器人自主調(diào)整固定人體關(guān)節(jié)軌跡以適應(yīng)可變目標(biāo)環(huán)境。對機(jī)器人相似性上臺階運(yùn)動過程施加了運(yùn)