仿人机器人多路况下静态及动态步态规划方法研究

摘要

双足步行仿人机器人是一种以人类为模板的智能机器人，能够适应人类的生活环境，因此有很多优势，但因其非线性、高自由度的运动方式，关节间的耦合性，以及较小的支撑区域等致使仿人机器人的稳定行走控制是一个非常复杂的内容。本文在前人的工作基础上重点研究了仿人机器人的步态规划方法。
　　本文以线性倒立摆为研究模型，针对平路行走、抗外界干扰行走和斜坡行走三种情况分别介绍了静态步态规划方法、基于捕获点理论的在线步态规划方法以及斜坡行走步态规划方法。
　　静态步态规划方法首先依据线性倒立摆的运动规律确定出迈步周期、髋关节侧向角度范围以及迈步步长，并将整个行走过程分为单脚支撑阶段与双脚支撑阶段，在每一阶段结合Nao机器人的连杆特性约束分别进行关节运动角度规划;基于捕获点理论的在线步态规划方法则是首先根据捕获点理论从空间轨道能量的角度分析机器人受到外力干扰后的运动规律，在线实时地计算使系统恢复平衡的瞬时捕获点的位置，并将该理论成功应用在Nao仿人机器人上;斜坡行走步态规划充分考虑路况对机器人稳定行走的影响，设计了在机器人行走过程中保持上身直立的姿态控制器。
　　本文的创造性工作在于能够根据仿人机器人下肢连杆的几何约束实现运动过程中各关节角度实时更新，为在线步态规划的实现创造了条件;巧妙地将捕获点理论应用到机器人的扰动力行走过程中，并在Nao机器人上得到了可行性验证;通过上身姿态控制实现了Nao机器人稳定的下坡行走。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 仿人机器人的应用前景

1．2 仿人机器人的研究成果

1．2．1 国外研究成果

1．2．2 国内研究成果

1．3 步态规划方法现状

1．3．1 稳定判据

1．3．2 研究方法

1．4 全文内容大纲

第2章 仿人机器人步态规划理论基础

2．1 研究模型介绍

2．2 ZMP稳定判据

2．2．1 ZMP稳定判据定义

2．2．2 ZMP稳定判据推导

2．3 动力学方程

2．4 平衡控制相关理论知识

2．4．1 捕获点理论(CPT)

2．4．2 RNS反应零空间理论

2．5 NAO机器人硬件参数

2．6 小结

第3章 基于线性倒立摆模型的静态步态规划

3．1 轨迹规划的前期工作

3．1．1 迈步周期的确定

3．1．2 髋关节侧向角度的确定

3．1．3 迈步长的确定

3．2 轨迹规划的实现

3．2．1 质心移动到支撑脚

3．2．2 摆动腿的轨迹控制

3．2．3 质心由后支撑腿移动到前支撑腿

3．3 实验结果分析

3．3．1 腿部关节角度变化曲线图

3．3．2 移动过程中质心位置图形

3．3．3 脚底压力传感器数据

3．3．4 Nao机器人行走视频帧图

3．4 小结

第4章 基于捕获点理论的在线步态规划

4．1 关键问题分析

4．1．1 破坏机器人系统稳定性的原因

4．1．2 保持系统平衡采取的应对措施

4．1．3 平衡保持问题解决方法的展开

4．2 捕获点理论

4．2．1 建立运动学方程

4．2．2 空间轨道能量分析

4．2．3 瞬时捕获点的动力学化简

4．3 基于捕获点理论的在线步态规划实现方法

4．3．1 在线步态控制系统

4．3．2 步行模式生成器

4．3．3 利用运动学模型求解关节角度

4．3．4 拉格朗日算子进行力矩求解

4．4 实验结果及分析

4．4．1 变步长行走实验

4．4．2 抵抗外界扰动力的行走实验

4．5 小结

第5章 斜坡路况下的步态规划

5．1 斜坡行走时的上身姿态控制

5．1．1 Pitch方向的上身姿态控制

5．1．2 Roll方向的上身姿态控制

5．2 针对斜坡路况的步态规划

5．2．1 斜坡路况特点分析

5．2．2 斜坡行走规划过程

5．3 增强稳定性方式

5．3．1 脚落地时冲击力的吸收

5．3．2 摆动上肢增强稳定性

5．4 实验结果及分析

5．4．1 上坡行走实验

5．4．2 下坡行走实验

5．5 小结

第6章 总结

6．1 本文工作内容

6．2 实验中取得的成果

6．3 未来研究方向

参考文献

致谢