基于人體運動相似性的仿人機器人運動規(guī)劃關鍵技術研究.pdf

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

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

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

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

5、件等約束,引入參數(shù)化控制方法優(yōu)化觸地點位置,并通過強化技術實現(xiàn)時間變換,將指標泛函求取原時間點的導數(shù)轉換在新的時間點上求取參數(shù)的導數(shù),解決了機器人倒地時觸地點位置的尋優(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)模的遺傳算法對機器人觸地后的相似性運動姿勢恢復進行了優(yōu)化。
　　最后,以仿人機器人相似性上臺階運動為例,研究了機器人自主調整固定人體關節(jié)軌跡以適應可變目標環(huán)境。對機器人相似性上臺階運動過程施加了運