（控制科学与工程专业论文）仿人机器人在线运动规划方法研究.pdf

国防科学技术大学研究生院博十学位论文 摘要 作为最适于人机自然交互的一种机器人，仿人机器人具有在多种环境中替代 人类工作的潜力，一直是机器人技术研究领域的热点，其独特的运动方式是研究 人员重点关注的问题之一。 规划控制法是一种最常用的仿人机器人运动控制方法。应用离线规划方法可 实现仿人机器人在确定环境中的运动控制，但环境适应性有限，难以进一步扩展 其应用范围。在线规划方法可以实时结合仿人机器人运动的动力学本质与环境信 息，生成相应运动轨迹，增强其环境适应能力。本文以仿人机器人“b l a c k m a n n 黟 为研究对象，提出仿人机器人运动序列形式化描述与在线运动规划方法。研究的 重点在于构造一种运动规划方法，可以在线寻找到一组稳定的、物理可行的仿人 机器人运动序列，并对相关问题展开研究，包括运动稳定性判定、扰动抑制、逆 运动学计算以及摆动脚掌的落脚控制。 首先介绍“b l a c k m a n n ”的机械结构、控制结构以及传感器系统，建立其运动 学模型和单脚支撑期的动力学模型，搭建了仿真平台“v i r t u a lb l a c k m a n n ”，设计 了单脚支撑期的逆动力学算法，用于后续规划方法的可行性验证。 稳定性判据是在线规划方法研究的前提与基础。首先分析z m p 和c o p 稳定性 判据的适用条件。然后，借助于虚平面的概念，特别针对于不平整地面上双脚支 撑期的行走稳定性判定问题，提出了基于扩展c o p ( e x t e n d e dc e n t e ro f p r e s s u r e ) 的稳定性判据，并基于踝关节力传感器信息设计了扩展c o p 实时算法。最后，提 出了基于c o p 稳定性判据的规划应用策略。 本文重点在于仿人机器人在线运动规划方法的设计与应用研究。首先，对现 有规划方法的特点进行分析和比较，探讨在线规划方法的基本结构，提出了基于 基本变量集的仿人机器人运动序列形式化描述方法，将在线运动规划问题转换为 各基本变量的规划问题。然后，基于扩展c o p 稳定性理论和仿人机器人集中质量 模型，分别设计了各基本变量的在线规划算法。提出前向侧向相匹配的规划策略， 采用边界优化方法，实现了对扩展c o p 和c o g 轨迹的在线规划；根据上层命令和 扩展c o p 轨迹进行摆动腿踝关节轨迹规划；在仿人机器人运动学模型基础上，设 计了c o c 轨迹的在线生成算法。根据上述规划算法，结合在线规划与离线规划方 法的本质区别，提出了在线运动规划方法在仿人机器人运动控制中的应用框架与 计算流程。针对机器人在行走过程中可能受到的步内扰动，设计了基于c o g 轨迹 修正的扰动抑制算法。为验证在线规划方法的可行性，从动力学约束、物理约束 以及计算量分析角度提出了在线规划方法的可行性验证标准。最后，利用“v i r t u a l b l a c k m a n n 仿真平台和“b l a c k m a n n 实验平台，验证了在线运动规划方法的可 第i 页 国防科学技术大学研究生院博十学位论文 行性和扰动抑制算法的有效性。 在线逆运动学算法提供了一个从基本变量集到关节空间的映射变换途径。从 仿人机器人下肢结构分析着手，提出了一种几何方法与分段阻尼最小二乘法相结 合的在线逆运动学算法。该算法确保规划结果能够满足基本自勺物理约束，且可以 避免奇异位形对求解精度的影响。通过与广义逆法的对比仿真实验，验证了该算 法的在线可实施性。 对于不具备其它外部传感器的仿人机器人，基于力传感器信息的落脚控制是 感知地面几何信息的一种重要手段。首先，给出仿人机器人落脚控制问题的详细 描述，分析落脚控制过程中涉及的运动学、静力学问题，将几种典型的接触模式 转化成统一韵等效单点接触模式。然后，引入人类落脚控制经验，设计了基于主 动柔顺控制原理的模糊控制器，实现了等效单点的接触控制，并给出了落脚控制 与在线运动规划的结合应用方法与流程。通过摆动腿斜坡落脚控制和“v i r t u a l b l a c k m a n n 不平整地面行走在线运动规划与控制仿真实验，验证了所提方法的有 效性，并给出相应实验数据。 最后，总结本文所做工作，分析不足之处，并提出今后的研究重点。 主题词：仿人机器人在线运动规划d h 坐标扩展c o p 基本变量集集中质 量模型侧向匹配前向策略边界优化方法扰动g p $ 0 阻尼最小二乘法主动柔顺 控制 第i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a b s t r a c t s t u d yo nh u m a n o i dr o b o ti so n eo ft h em o s ta c t i v ef i e l d si nr o b o t i c sr e c e n t l yd u et o i t su n i q u em o t i o np a t t e r n ，a n dh u m a n o i dm o t i o nc o n t r o li st h em o s tf u n d a m e n t a la n d c h a l l e n g i n gp r o b l e mu n d o u b t e d l y p l a n n i n gb a s e dm e t h o di sag e n e r a lw a yf o rh u m a n o i dm o t i o nc o n t r 0 1 a f t e r s e v e r a ly e a r s r e s e a r c h , s t a b l ea n df a s th u m a n o i dw a l k i n go np l a n e ，s l o p ea n ds t a i r sh a s b e e nr e a l i z e db yu s i n go f f - l i n em o t i o np l a n n i n gb a s e dm e t h o d b u ti ts e e m ss t i l l d i f f i c u l tt oa d a p tt h er o b o tt ou n c e r t a i ns u r r o u n d i n g s ，w h i c hm a k e si th a r dt oe x p a n d a p p l i c a t i o no fh u m a n o i dr o b o t s o n l i n em o t i o np l a n n i n gb a s e dm e t h o dc a l lc o m b i n e h u m a n o i dd y n a m i c sw i t he n v i r o n m e n t a li n f o r m a t i o ni nr e a l - t i m es ot h a ti th a sg r e a t e r p o t e n t i a lt oi n c r e a s et h eh u m a n o i dm o t i o na d a p t a b i l t yo ni r r e g u l a rt e r r a i n s oa l lo n l i n e m o t i o np l a n n i n gm e t h o di s p r o p o s e df o rh u m a n o i dr o b o t “b l a c k m a n n ，a n ds o m e r e l a t e dt e c h n i q u e sa r es t u d i e d ，i n c l u d i n g s t a b i l i t ye s t i m a t i o n , i n v e r s ek i n e m a t i c s c a l c u l a t i o n , d i s t u r b a n c er e j e e t i o na n ds w i n gf o o tl a n d i n gc o n t r 0 1 啊1 ef o c u so ft h i s d i s s e r t a t i o ni st of i n daw a yt oo b t a i naf e a s i b l eh u m a n o i dw a l k i n gm o t i o ns e q u e n c e o n l i n e ，b u tt h eo p t i m a l i t yo ns o m ec e r t a i ni n d e xi sn o tm a i n l yc o n c e m e d f i r s t l y ，t h em e c h a n i c a lc o n f i g u r a t i o n ，c o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r ea n ds e n s o r so ft h e h u m a n o i dr o b o t “b l a c k m a n n a r ei n t r o d u c e d ，a n df o r w a r dk i n e m a t i cm o d e lu s i n gd h e o o r d i n a t e sa n dd y n a m i c a lm o d e ld u r i n gs i n g l es u p p o r tp e r i o du s i n gl a g r a n g em e t h o d a r eb u i l t u s i n gv rt o o l si nm a t l a b ，“v i r t u a lb l a c k m a n n i sc o n s t r u c t e da sah u m a n o i d s i m u l a t i o np l a t f o r m , a n dt h ef l o w o fi n v e r s ed y n a m i c sc a l c u l a t i o ni sa d d r e s s e df o r v a l i d a t i o no ft h ef e a s i b i l i t yo f p l a n n e dr e s u l t s s e c o n d l y ，a f t e rs y n t h e s i s o ft r a d i t i o n a lh u m a n o i ds t a b i l i t yj u d g e m e n t s ，t h e e x t e n d e dc o pb a s e dj u d g e m e n ta n ds t r a t e g yf o rm o t i o nc o n t r o la r ep r e s e n t e di nv i r t u e o ft h ec o n c e p to fv i r t u a lp l a n e ，i no r d e rt oe s t i m a t et h eh u m a n o i dp o s t u r a ls t a b i l i t yo n u n e v e nt e r r a i nd u r i n gd o u b l es u p p o r tp e r i o d a n ds t r a t e g i e so fa p p l i c a t i o nb a s e do n e x t e n d e dc o pi nm o t i o np l a n n i n ga r ed i s c u s s e d t h i r d l y ，a f t e rs u m m a r i z i n gc u r r e n tm o t i o np l a n n i n gm e t h o d s ，ab a s i cv a r i a b l e ss e t b a s e dh u m a n o i do n l i n em o t i o np l a n n i n gm e t h o di sp r o p o s e d h e r e ，t h eb a s i cv a r i a b l e s s e t , i n c l u d i n ge x t e n d e dc o p ，c o g ，c o c ，a n k l ep o i n tp o s i t i o n ，p o s t u r eo fc o x aa n df e e t ， i sd e f i n e dt od e s c r i b eh u m a n o i dm o t i o ns e q u e n c e s t h u s ，t h eh u m a n o i dm o t i o n p l a n n i n gi st r a n s f o r m e di n t ot h ep l a n n i n go ft h eb a s i cv a r i a b l e su s i n gm a s s - c o n c e n t r a t e d m o d e l a n dd e t a i l e dp l a n n i n ga l g o r i t h m so fb a s i cv a r i a b l e sa r ed e s i g n e da sf o l l o w s e x t e n d e dc o pa n dc o g t r a je c t o r i e sa r ep l a n n e db yu t i l i z i n gs a g i t t a lg u i d e ds t r a t e g ya n d b o u n d a r yo p t i m i z a t i o n a n k l ep o i n tt r a j e c t o r yo fs w i n gl e gi sp l a n n e db yu s i n gt h e u p p e rc o m m a n da n de x t e n d e dc o pt r a j e c t o r y c o ct r a j e c t o r yi sw o r k e do u tb yu s i n g k i n e m a t i c sb e t w e e nc o ga n dc o c a c c o r d i n gt oe s s e n c eo fo n l i n em o t i o np l a n n i n ga n d 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 t h ed i f f e r e n c eb e t w e e no n l i n ea n do f f - l i n ep l a n n i n g ，a p p l i c a t i o no f p r o p o s e dm e t h o di s d i s c u s s e da n dd e t a i l e df l o wc o m b i n i n go n l i n ep l a n n i n g 、 r i t l lr e a l t i m ec o n t r o li ss h o w n i no r d e rt or e s i s td i s t u r b a n c ed u r i n gh u m a n o i dw a l k i n g ，ac o gm o t i o nc o m p e n s a t i o n b a s e da l g o r i t h mi sd e s i g n e d i nt h ee n d ，s i m u l a t i o nu s i n g v i r t u a lb l a c k m a n n a n d w a l k i n ge x p e r i m e n t so f b l a c k r n a n n a r ec a r r i e do u tt o v a l i d a t et h ef e a s i b i l i t yo f p r o p o s e do n l i n em o t i o np l a n n i n gm e t h o da n de f f e c t i v e n e s so fp r o p o s e dd i s t u r b a n c e r e j e e t i o na l g o r i t h m ，r e s p e c t i v e l y i n v e r s ek i n e m a t i c s ( i k ) c a l c u l a i t o ni si n d i s p e n s a b l ei nh u m a n o i do n l i n em o t i o n p l a n n i n ga n dc o n t r 0 1 i no r d e rt oc h e c ku pt h ef e a s i b i l i t yo fp l a n n i n gr e s u l t se x p r e s s e d b yt h eb a s i cv a r i a b l e ss e ta n dc o m p u t et h ej o i n t s a n g l e sa c c u r a t e l yo n l i n e ，a ni n t e g r a t e d a l g o r i t h mi sd e s i g n e d p r o p o s e di ka l g o r i t h ms y n t h e s i z e st h eg e o m e t r yb a s e dm e t h o d a n dd a m p e dl e a s ts q u a r e sm e t h o da f t e rt o p o l o g i c a lc o n f i g u r a t i o na n a l y s i so fh u m a n o i d l o w e rb o d y t h e n , s i m u l a t i o ni sc a r r i e do u tt oc o m p a r ed e s i g n e di ka l g o r i t h m 、析t i l p s e u d oi n v e r s em e t h o d ，a n dt h er e s u l t sv a l i d a t et h es t a b i l i t yn e a rs i n g u l a r i t i e sa n d f e a s i b i l i t yo fp r e s e n t e di ka l g o r i t h m d e t e c t i o no ff o r c ea n dt o r q u ed u r i n gs w i n gf 0 0 t g r o u n dc o n t a c tc a nh e l pt o e s t a b l i s hg e o m e t r i cp a t t e r no fg r o u n df o ro n l i n em o t i o np l a n n i n g b a s e do nd e s c r i p t i o n o fh u m a n o i ds w i n gf o o tl a n d i n gc o u r s e ，t h eb a s i cc o n t r o ls t r a t e g yi sd e t e r m i n e d ，a n d s e v e r a lk i n e m a t i c sa n ds t a t i c sr e l a t e d p r o b l e m s a r e a n a l y z e d t h e n s e v e r a l r e p r e s e n t a t i v ef o o t - g r o u n dc o n t a c tm o d e sa r et r a n s f o r m e di n t oa ne q u i v a l e n ts i n g l e p o i n tc o n t a c tm o d e ，a n da na c t i v ec o m p l i a n tt h e o r e mb a s e df u z z yc o n t r o l l o ri sd e s i g n e d c o m b i n e d 晰n lo n l i n em o t i o np l a n n i n g ，a p p l i c a t i o no fp r o p o s e dl a n d i n gc o n t r o lm e t h o d i no n l i n ep l a n n i n ga n dc o n t r o li sa d d r e s s e d i nt h ee n d ，s i m u l a t i o nr e s u l t so fs w i n gf o o t l a n d i n go ns l o p ea n d v i r t u a lb l a c k m a n n w a l k i n go ni r r e g u l a rt e r r a i na r es h o w nt o v a l i d a t et h ee f f e c t i v e n e s so fp r o p o s e dm e t h o d f i n a l l y ，t h em a i nc o n t e n to ft h i sd i s s e r t a t i o ni ss u m m a r i z e da n dk e yp o i n t so f f u t u r er e s e a r c ha r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：h u m a n o i dr o b o t ，o n l i n em o t i o np l a n n i n g ，d hc o o r d i n a t e s ， e x t e n d e dc e n t e ro fp r e s s u r e ，b a s i cv a r i a b l e ss e t ，m a s sc o n c e n t r a t e dm o d e l ， s a g i t t a l g u i d e ds t r a t e g y ，b o u n d a r y o p t i m i z a t i o n 。d i s t u r b a n c er e j e c t i o n ， d a m p e dl e a s ts q u a r em e t h o d ，a c t i v ec o m p l i a n tc o n t r o l 第i v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 表目录 表1 1 典型的仿人机器人研究计划3 表2 1 “b l a c k m a n n ”几何参数17 表2 2 “b i a c k m a n n 自由度分配与关节运动范围1 8 表2 3 仿人机器人坐标系说明2 1 表2 4d h 参考坐标系结构参数和关节变量2 2 表4 1 定周期变步长仿真参数表6 5 表4 2 定步长变周期仿真参数表。7 2 表6 1c a r p 和c a o 推理规则1 0 7 表6 2c a z 。( c a z 2 ) 推理规则( 分别与 和9 相关) 。1 0 7 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图目录 图1 1 仿人机器人及其潜在应用能力2 图1 2 典型仿人机器人系统，分别为a s i m o 、h r p - 2 、q r i o 、w a b i a n 一2 、j 4 、 k h r - 3 、v 2 、p a r t n e r 、先行者、汇童4 图1 3 高精度集成关节驱动单元、高性能锂电池、人工肌肉和“l u c y ”5 图1 4 仿人机器人不平整地面行走5 图1 5 人类运动图像捕捉方法6 图1 6 动物运动系统基本结构7 图1 7 基于c p g 的运动控制典型方案7 图1 8 离线规划与传感器反射相结合的控制方案1 1 图1 9 本文组织结构1 5 图2 1 仿人机器人“b l a c k m a n n 外观、自由度示意与基本几何参数18 图2 2 “b l a e k m a n n 运动控制系统基本结构1 9 图2 3 力力矩传感器安装示意2 0 图2 4 两代具有六维力力矩传感器的仿人机器人脚掌2 0 图2 5 “b l a c k m a n n ”d h 参考坐标系2 1 图2 6 “v i r t u a lb l a c k m a n n 仿真平台基本框架2 5 图2 7 运动学仿真基本流程2 6 图2 8 “b l a e k m a n n ”动力学模型各体坐标系示意2 9 图2 9 “b l a c k m a n n 逆动力学计算流程31 图3 1 稳定性的本质3 6 图3 2 虚平面与支撑域3 6 图3 3 力与力矩合成3 8 图3 4 基于扩展c o p 的稳定性判定计算流程4 0 图4 1 人类行走运动体现的动力学特性一4 3 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图4 2 平面倒摆模型、飞轮倒摆模型及其等价模型4 3 图4 3 基于z m p 的集中质量模型4 4 图4 43 d i p m 与3 d l i p m 4 5 图4 5g c i p m 模型4 6 图4 6 仿人机器人在线运动规划与实时控制基本框架4 8 图4 7 基于扩展c o p 的集中质量模型5 0 图4 8 基本步态说明5 l 图4 9 支撑域选择策略5 l 图4 1 0 侧向匹配前向的规划策略5 6 图4 1 17 k 计算流程5 6 图4 1 2 疋计算流程5 8 图4 1 3c o c 计算流程5 9 图4 1 4 在线运动规划方法应用流程6 l 图4 1 5 基于c o g 轨迹修正的扩展c o p 扰动抑制算法结构与策略6 2 图4 1 6 扰动抑制的局限性6 4 图4 1 7 运动规划数据与仿真结果( r = l s ，s = 0 1 0 m ) 6 6 图4 1 8 运动规划数据与仿真结果( 丁= l s ，s = 0 2 5 m ) 6 7 图4 1 9 运动规划数据与仿真结果( 丁= i s ，s = 0 3 0 m ) 6 8 图4 2 0 单脚支撑期的支撑腿和摆动腿关节力矩6 9 图4 2 1 “v i r t u a lb l a c k m a n n 运动学仿真验证。7 0 图4 2 2 运动规划数据与仿真结果( v = 0 3 3 m s ，t = 0 6 s ) 7 3 图4 2 3 运动规划数据与仿真结果( y = 0 2 0 m s ，t = l s ) 7 4 图4 2 4 运动规划数据与仿真结果( y = 0 1 0 m s ，t = 2 s ) 7 5 图4 2 5 单脚支撑期的支撑腿和摆动腿关节力矩7 6 图4 2 6 运动规划数据( s = 0 2 0 m ，t = 4 s ) 7 7 图4 2 7 实际扩展c o p 轨迹与仿真计算得到的扩展c o p 轨迹7 8 第v i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图4 2 8 “b l a c k m a n n ”行走运动图像7 8 图4 2 9 行走过程中受到的侧向扰动外力7 9 图4 3 0 应用扰动抑制的扩展c o p 轨迹和后续周期的扩展c o p 轨迹规划7 9 图4 3 1 应用扰动抑制的c o g 轨迹和后续周期的c o g 轨迹规划7 9 图4 3 2c o g 调节量与扩展c o p 误差8 0 图5 1 基于几何关系的膝关节角度计算。8 7 图5 2 给定的c o c 轨迹( o t r ) 一8 9 图5 3 右腿( 摆动腿) 踝关节点轨迹( o t z ) _ 8 9 图5 4 利用所提算法求出的右腿关节角轨迹( 0 f r ) 9 0 图5 5 重新计算的c o c 轨迹与给定c o c 轨迹的偏差一9 0 图5 6 给定的c o c 轨迹f r t 2 t ) 9 0 图5 7 利用所提算法得到的右腿关节角轨迹( t f 2 t ) 9 l 图5 8 利用广义逆方法得到的右腿关节角轨迹( r t 2 r ) 9 1 图5 9 重新计算的c o c 轨迹与给定c o c 轨迹的偏差9 1 图6 1 仿人机器人落脚控制问题9 4 图6 2 脚掌地面接触相对于预期状态的分类9 4 图6 3 接触点分布以及形成的接触面9 5 图6 4 前向或侧向的碰撞9 5 图6 5 通过踝关节角度调整改变姿态时对脚掌位置的影响9 6 图6 6 传感器测得的力信息与接触点( 线、面) 力信息的关系9 9 图6 7 落脚控制基本结构1 0 1 图6 8 几类典型接触模式1 0 2 图6 9 等价接触点与姿态调节方向判断1 0 4 图6 1 0 落脚过程控制流程：1 0 5 图6 1 l 最：的隶属度函数1 0 5 图6 1 2q c j 的隶属度函数一1 0 6 第v i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图6 1 3 脚掌与地面接触模型一11 0 图6 1 4 应用所提方法的落脚控制过程( 坡度为3 0 ) “l 图6 1 5 等价接触点q c j 与b 。：变化轨迹1 1 1 图6 16a t p 和垃的变化轨迹1 12 图6 1 7 接触过程中脚掌前端( t o e ) 和后端( h e e l ) 接触力的变化轨迹1 1 2 图6 18 “v i r t u a lb l a c k m a n n 在不平整地面上的行走控制仿真实验1 1 2 图6 1 9 应用所提方法的落脚控制过程( 凸起高度为2c m ) 1 1 3 图6 2 0 接触控制过程中等价接触点线。，与b 。：变化轨迹一1 1 3 图6 2 1 接触控制过程中矽和z 的变化轨迹1 1 3 图6 2 2 接触过程中脚掌前端( t o e ) 和后端( h e e l ) 接触力的变化轨迹11 4 图6 2 3 不平整地面上的在线规划结果11 4 图6 2 4 左腿各关节运动轨迹的对比1 1 5 图6 2 5 v i r t u a lb l a c k m a n n 在不平整地面上的行走过程1 1 5 图7 1 给定概念下的仿人机器人行为学习问题1 1 9 第v i i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：笾厶扭墨厶查绫重型拯型友洼叠究 学位论文作者签名： 曼丝j日期：洲年铲月，r 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留，使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：受垒劐 作者指导教师签名：曼塞毯 日期：加占年够月，日 日期：埘年垆月旷日 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 研制具有人类行为特征、能够模拟人类行走与操作功能的仿人机器人【l 】是人们 由来已久的梦想之一。从上世纪六十年代至今，随着相关技术和工艺的迅速发展， 仿人机器人研究取得了长足进步，出现许多各具特色的实验机构和控制方法。1 9 7 3 年，日本早稻田大学研制出世界上第一台仿人机器人w a b o t 1 ，初步具备人类外 形和确定环境中的行进与基本操作能力，标志两足步行机器人研究进入仿人机器 人阶段1 2 j 。2 0 0 0 年，国防科技大学机器人实验室研制出国内第一台仿人机器人“先 行者 ，标志着国内仿人机器人技术研究的开始。 所谓仿人机器人，就是具有类人外表和功能的机器1 3 。它具有类似于人的外表， 能够处理图像、语音信息，具有双足步行能力，可在人类生存、工作的环境中自 主活动，具有较强的环境适应和学习能力，能够与人交流、协作，共同完成目标 任务。因此，仿人机器人技术研究涉及面广，综合性强，包括机器人学、控制理 论、人工智能、图像识别与理解技术、语音识别与理解、学习方法研究、机械设 计与系统集成技术、材料技术以及电源技术等。 许多机器人学专家认为，仿人机器人是进行人机交互、真实世界中机器学习 的良好平台1 4 引。它不仅能够从与外部环境的接触中学习，完成设计者交给的任务， 而且能够适应非结构化环境，与人良好沟通、互动，是一种适于与人交互的理想 机器人1 6 j 。同时，仿人机器人还是一个很好的研究模型，为控制理论应用及动力学 问题研究提供了一个良好的平台。 仿人机器入可应用于军事、制造业、娱乐业、科学探测、康复医学、服务业 等多个方面，具有重大研究价值1 7 。可在复杂恶劣的环境中代替人类作业，进行科 学探测和样品采集、分析等工作；也可根据具体军事任务和目标，构成外骨骼机 器人和机器人战士，为军用机器人研究提供技术储备；在康复医学中，可作为辅 助行走装置，帮助病人恢复健康；在家政服务中，可替代人们完成各种家务，把 人们从琐碎的家务中解脱出来。目前，许多仿人机器人系统和技术已成功应用于 娱乐业、康复医学等方面。 类人双足行走是仿人机器人区别于其他机器人的重要特征，它在非结构化环 境中的运动功能，如不平整地面的行走和作业【s q o l 、与人合作完成搬运任务【】、自 主避障【1 2 1 、上下楼梯斜坡【1 3 l 等，对于实现其应用价值具有重要意义【1 4 1 。正是基于 这一点，仿人机器人才有可能在多种环境中替代人类，完成高危险性、琐碎的工 作，且易于被人们接受。另外，仿人机器人的视觉、听觉和与人类的交互能力研 第1 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 究存在着与其他机器人研究的共同性和通用性，在其他机器人技术研究中获得的 成果可直接应用于仿人机器人。因此，运动控制在仿人机器人研究中的独特性与 重要性不占而喻h 。”。 图i1 仿 机器人及其潜在应用能力 在线运动规划作为仿人机器人运动控制的关键技术之一，具备从根本上解决 仿人机器人的非结构化环境适应性问题的潜力，对仿人机器人运动控制技术的发 展具有重要作用。 本学位论文课题源于国家自然科学基金项目“仿人机器人自稳定与力控制技 术研究”，项目研究以实现仿人机器人在未知环境中的稳定行走为目的，研究内 窖主要包括基于力传感器信息的仿人机器人实时姿态稳定性分析与控制算法、力 控制技术、在线运动规划方法、仿人机器人地面环境适应性控制技术等方面。本 文毗仿人机器人“b l a c k m a n n ”为对象，根据其机械结构与现有控制模式，重点对 姿态稳定性判定、在线运动规划与实时控制方法展开研究，是项目研究的重要组 成部分，对于增强仿人机器人的运动能力与环境适应性具有重要作用。 1 2 国内外研究现状 仿人机器人是机器人技术研究领域的热点之一。本节首先从仿人机器人技术 的发展现状入手，针对其运动控制问题展开探讨。然后总结目前几种典型的运 动控制方法，重点探讨规划控制法的特点，发展历程与研究现状。最后，通过离 线规划法与在线规划法的对比阐述在线规划方法研究的必要性。 121 仿人机器人技术的发展现状 尽管仿人机器人具有在恶劣环境中代替人类工作的潜力，但迄今为止，多数 仿人机器人的功能仍局限于吸引人们的注意力，完成几类有限的演示动作。就目 前的研究水平，能够在恶劣环境中工作的仿人机器人为数不多，多数只能作为博 物馆导游或公司看门人【4 l 。另外，仿人机器人的视觉功能和自然交互手段有待加强， 第2 页 取蹦冷 国防科学技术大学研究生院博七学位论文 虽然仿人机器人技术发展处于实验室研究和简单展示阶段，各国对于该项研 究仍然非常重视，投入大量资金和人力资源展开相关研究工作。目前，全世界有 超过8 0 个以上的仿人机器人项目在研【2 j ，其中多数项目集中于仿人机器人独特运 动功能的研究。日本处于仿人机器人技术研究的领先地位，许多日本研究机构和 企业在该领域投入大量资金和人员，其他国家的投入远远小于日本的投入规模。 h r p 计划【1 1 ，1 4 1 6 , 1 7 】中，仅日本政府就投资超过4 5 0 万美元作为研究经费。研究机 构( 包括大学、研究所) 的工作侧重于仿人机器人理论与基础实验研究，而企业 ( 工业部门) 的研究则侧重于系统集成与面向市场的仿人机器人样机开发，更注 重其娱乐功能的开发。其中，日本a i s t 仿人机器人研究小组与k a w a d a 工业公 司( h i 冲系列仿人机器人) 、丰田公司( 外骨骼机器人、伙伴机器人) 、本田公 司( p 系列机器人、a s i m o ) 、索尼公司( s d r 系列机器人、q r i o 仿人机器人) 、 c 公司( j 4 仿人机器人) 、富士公司( h o a p