拟人机器人的步态规划仿真研究

摘要

拟人步行机器人与轮式、爬行式和履带式等移动机器人相比，由于支撑脚离散，交替接触地面，所以具有更好的环境适应性。而步态规划是当前影响拟人机器人技术进步的重要课题之一，是成功和有效地实现拟人机器人稳定步行的理论基础和关键技术。在分析拟人机器人自由度配置的基础上，运用三维造型软件建立机器人模型。从拟人机器人运动学和动力学特性出发，对拟人机器人的稳定性步态规划进行了研究，提出了运用不同理论分段规划机器人步态的方法，得到运动轨迹。然后运用虚拟样机仿真，进一步提出了拟人机器人稳定性控制策略和方法。 本文主要研究内容： 1）分析拟人步行过程中对自由度的要求，实现了拟人机器人腿部自由度的合理配置，据此建立了用于描述拟人机器人运动的三维模型，提出了拟人机器人的整体设计方案。 2.）建立了拟人机器人动力学和运动学模型。运用具有普遍性的方法推导得出了拟人机器人运动学模型中各个刚体及其质心的速度、加速度的正解。推导计算了单脚和双脚支撑时的拟人机器人动力学模型正解。 3）根据拟人机器人步行的周期性和ZMP 原理，分析传统的步态规划算法，将步态规划分成三个阶段：起步、正常行走、止步。正常行走阶段，采用倒立摆模型推导计算正常行走的步态轨迹规划，给出空间的各个关节角的变化规律；起步和止步阶段，从能量角度出发运用样条插值方法规划起步和止步步态。通过结合两种方法得出完整的步态规划轨迹。 4）在Pro/e 中建立机器人模型，基于图形数据传递技术，实现三维造型向虚拟样机ADAMS 模型的转换，建立完整ADAMS 虚拟样机模型。将步态规划用于仿真，提出了利用行走中关节转角与规划值之间的变化量计算调整控制力矩值的方法，从而实现对拟人机器人在线步态调整。并借助于控制软件Matlab 与虚拟样机之间的数据接口ADAMS/Control，在Matlab 中编写控制程序进行仿真。 5）提出了拟人机器人行走稳定性维护的控制策略，采用遗传算法优化了拟人机器人步态，为实现拟人机器人稳定行走的在线控制奠定了基础。